大跨徑全飄浮體系斜拉橋設(shè)計與施工研究

楊大海， 劉婉玥， 馬祖橋

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088；3.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

斜拉橋是以索、塔、梁組成的高效跨越結(jié)構(gòu)體系,廣泛應(yīng)用于各類交通建設(shè)工程。但在實際應(yīng)用中往往存在以下問題。一方面,斜拉橋常規(guī)錨固方式為塔梁直接錨固,橋塔承受強(qiáng)大的拉應(yīng)力,開裂現(xiàn)象難以避免;另一方面,隨著橋梁跨徑不斷突破,橋梁造型更加纖細(xì),因此需要采取理的減振抗震措施減少風(fēng)荷載、地震等對結(jié)構(gòu)的影響[1]。

蕪湖長江公路二橋是安徽省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“四縱八橫”中“縱二”的重要部分,是連接安徽省長江兩岸的又一條快速通道。其主橋為分肢柱式塔全飄浮體系斜拉橋,跨徑布置為(100+308+806+308+100)m(圖1)采用獨(dú)柱式橋塔,空間四索面扇形斜拉索,主梁為弧形底板分離鋼箱梁;其跨江引橋上部結(jié)構(gòu)采用全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁,跨徑類型為3 m、4 m、55 m。

為了滿足索塔的安全耐久,結(jié)構(gòu)的減振抗震以及標(biāo)準(zhǔn)化快速施工等要求,一系列新型結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于蕪湖長江公路二橋,下面對此分別進(jìn)行綜述。

圖1 蕪湖長江公路二橋主橋總體布置

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

蕪湖長江公路二橋跨江主橋橋跨布置為(100+308+806+308+100) m,全長1 622 m,為雙塔四索面全飄浮體系斜拉橋,索塔處不設(shè)豎向支座,橋塔為獨(dú)柱式,斜拉索上端錨固在同向回轉(zhuǎn)索鞍上,下端采用錨拉板錨固在鋼箱梁兩側(cè),主梁采用分幅式弧形底板扁平鋼箱梁,以降低風(fēng)阻系數(shù)(圖2)。

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖

蕪湖長江公路二橋引橋節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁有3、4、55 m三種跨徑,采用全體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計,四車道橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室箱梁,六車道上部結(jié)構(gòu)采用單向單室大懸臂帶肋箱梁(圖3)。

圖3 節(jié)段梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意(單位:mm)

結(jié)構(gòu)中,索塔塔身采用C50混凝土,主橋鋼箱梁采用Q345qD鋼材,斜拉索采用公稱直徑15.2 mm鋼絞線。引橋節(jié)段箱梁采用C50混凝土,體外預(yù)應(yīng)力采用直徑15.2 mm的無粘結(jié)鍍鋅鋼絞線。

2.1 同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)

同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)是把同一根拉索穿過橋塔上斜置的鞍座再在橋面同側(cè)進(jìn)行錨固(圖4)。這種錨固方式將橋塔所受拉力轉(zhuǎn)換為徑向壓力,避免了橋塔因承受過大的拉應(yīng)力產(chǎn)生開裂。

圖4 同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)示意

索塔鞍座斜置,采用四索面拉索在塔上以豎向并列斜置的方式進(jìn)行錨固。鞍座安裝和定位簡單,就像一道預(yù)應(yīng)力鋼筋管道,穿索、換索施工及后期養(yǎng)護(hù)便捷[2]。

2.2 斜置阻尼約束體系

常規(guī)的粘滯阻尼器軸線方向與橋梁軸線平行,僅在順橋向起到限位作用。蕪湖長江公路二橋為全飄浮體系斜拉橋,若僅采用縱向粘滯阻尼器,橫向采用限位支座,則橫向地震荷載下內(nèi)力過大,若設(shè)置橫向粘滯阻尼器,則需與日常運(yùn)營時主梁的縱向運(yùn)動相匹配,構(gòu)造比較復(fù)雜。因此,提出“斜置阻尼約束體系”(圖5),即阻尼器不與主梁順橋向平行,而是根據(jù)試驗及計算研究結(jié)果,水平面旋轉(zhuǎn)β角進(jìn)行設(shè)置,從而實現(xiàn)一套阻尼器對主梁順橋向和橫橋向同時約束,蕪湖長江公路二橋全橋僅設(shè)置2組(每組4個)斜置粘滯阻尼器,降低了地震響應(yīng)控制的成本[3-5]。

圖5 斜置阻尼約束體系

2.3 全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝箱梁

蕪湖長江公路二橋引橋段采用全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝箱梁,預(yù)制拼裝箱梁有兩種寬度,四種結(jié)構(gòu)(圖6),每種結(jié)構(gòu)包括若干節(jié)段:端(中)橫梁節(jié)段、端橫梁加強(qiáng)段、轉(zhuǎn)向塊段、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。合計節(jié)段形式僅16種,全橋總計達(dá)20034榀節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁,節(jié)段數(shù)量較多而種類較少,腹板、頂板及底板均為等截面,保證了模板的通用性[6]。

圖6 全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝箱梁

3 蕪湖長江公路二橋案例分析

3.1 整體結(jié)構(gòu)性能分析

使用有限元分析軟件MIDAS Civil對蕪湖長江公路二橋進(jìn)行整體計算,主梁和橋塔采用梁單元進(jìn)行模擬,斜拉索在成橋階段以桁架單元模擬,施工階段分析時采用索單元模擬,并考慮二維阻尼約束條件。主梁左右側(cè)腹板構(gòu)成雙縱梁,以橫隔板連接成梁格,再通過連接橫梁形成梁格系(圖7)。

圖7 整體計算有限元模型示意圖

分體鋼箱梁采用四索面支撐,連接橫梁間隔32 m設(shè)置,主跨活載最大撓度0.896 m,小于2 m撓度控制值。對比雙索面與四索面分體鋼箱梁應(yīng)力計算結(jié)果如下(表2)。

表1 鋼箱梁應(yīng)力計算結(jié)果

雖然采用四索面與雙索面鋼箱梁縱向最大壓應(yīng)力基本一致,為100 MPa左右,但橫向應(yīng)力、剪應(yīng)力、主應(yīng)力均大幅度降低,使得寬主梁大跨徑柱式塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式得以實現(xiàn)[7]。

3.2 索塔錨固區(qū)

使用有限元分析軟件ANSYS對索塔錨固區(qū)進(jìn)行精確應(yīng)力分析,其中混凝土橋塔采用Solid45單元進(jìn)行模擬,計算分析結(jié)果(圖8)表明混凝土橋塔與鞍座直接接觸位置承受徑向壓力較大,但在小范圍內(nèi)即可擴(kuò)散均勻,其他部位受力均勻未見應(yīng)力集中。由此可見本鞍座錨固方式可靠,荷載傳遞合理。雖然在鞍座側(cè)面和底面相交位置處的混凝土角隅存在少許應(yīng)力集中現(xiàn)象,但應(yīng)力集中的范圍和應(yīng)力峰值均很小,不會影響結(jié)構(gòu)的總體性能[8]。

圖8 拉索錨固區(qū)豎向應(yīng)力云圖

3.3 阻尼約束下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)

利用整體計算模型,比較蕪湖長江公路二橋在塔梁交接處分別采用自由、鉸接及斜置阻尼約束體系3種不同約束下的地震響應(yīng)(表2)。

表2 不同約束下橋梁動力響應(yīng)最大值

計算結(jié)果表明,采用斜置阻尼約束體系,可以有效降低地震作用下該橋塔梁相對位移、底部剪力和彎矩,改善了橋梁順橋向和橫橋向的抗震性能,因此可以省去橋塔位置處橫向抗風(fēng)支座,降低地震響應(yīng)控制的成本[9]。

3.4 帶肋大挑臂箱梁橋面板

使用ANSYS對帶肋大挑臂箱梁橋面板受力性能進(jìn)行針對性的理論建模分析,按照單跨長度進(jìn)行建模,采用簡支支撐。

圖9 帶肋和不帶肋的縱向應(yīng)力擴(kuò)散圖(頂板下緣)(單位:Pa)

加勁肋的存在加大了懸臂的剛度,在相同荷載下,懸臂撓度可減少25%左右。對于梁段應(yīng)力情況,當(dāng)在頂板上施加豎向力時,除了向固結(jié)支承邊橫向傳力外,還分別向兩彈性支承邊縱向傳力,由此分析得知,加肋板的節(jié)段梁拼裝后受力模式完全不同于不加肋板的大挑臂結(jié)構(gòu)受力模式,而更趨近于兩端彈性支承一端固結(jié)的三向板結(jié)構(gòu)(圖9)。

3 施工流程

蕪湖長江公路二橋主橋采用對稱懸拼的施工工藝(圖10),并應(yīng)用在所有梁段上,最大懸臂長度達(dá)397 m。引橋節(jié)段箱梁采用了下行式架橋機(jī),梁上運(yùn)梁、逐跨拼裝,實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化快速施工,并在國內(nèi)多座橋梁上展開了推廣應(yīng)用[10]。

圖10 蕪湖長江公路二橋施工現(xiàn)場

4 結(jié) 論

本文結(jié)合蕪湖長江公路二橋的設(shè)計與施工實例,得出以下結(jié)論。傳統(tǒng)斜拉橋由于多種問題制約了這種結(jié)構(gòu)體系跨徑的突破,包括索塔傳統(tǒng)錨固形式易導(dǎo)致橋塔產(chǎn)生裂縫;以及對主梁抗震、抗風(fēng)等綜合研究不足,阻尼設(shè)置功能不全,日常振動控制不佳等。蕪湖長江公路二橋通過同向回轉(zhuǎn)錨索系統(tǒng)、斜置阻尼約束體系等創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用,解決了塔壁受拉的問題,并大幅減少了大跨徑斜拉橋抗震控制的成本。根據(jù)有限元精確應(yīng)力分析驗證了該錨索系統(tǒng)和阻尼約束體系的可靠性。引橋采用全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段箱梁可以減少板厚從而減輕橋梁自重并實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化快速施工,通過有限元模擬分析,明確了橫梁受力特點(diǎn)及開裂過程,并優(yōu)化配筋。本文技術(shù)在促進(jìn)柱式塔斜拉橋應(yīng)用于重大工程建設(shè),推動行業(yè)基礎(chǔ)理論、設(shè)計理念和施工技術(shù)進(jìn)步等方面均具有普遍意義,值得大力推廣。