西山西路自錨式懸索橋結構設計

丁勇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市200092）

西山西路自錨式懸索橋結構設計

丁勇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市200092）

鄂爾多斯市西山西路橋采用雙塔三跨自錨式懸索橋,主橋為跨徑布置58 m+140 m+58 m=256 m,橋寬40.1 m。現對西山西路橋總體設計參數進行闡述,并利用有限元軟件對橋梁結構進行建模分析。設計實踐表明:自錨式懸索橋不僅橋型美觀,而且結構體系合理。

自錨式懸索橋；建模分析；體系合理

1 工程概況

西山西路為鄂爾多斯市伊金霍洛旗城區內的一條南北向主干路。該工程北側起點為西山西路與體育路交叉口,南側終點接入阿四公路,中間跨越掌崗圖河。橋梁位于掌崗圖河的彎道上,西山西路與河道成斜交布置。橋梁采用雙塔三跨自錨式懸索橋的橋型方案。橋跨徑組合為:58 m+140 m+ 58 m=256 m,橋寬40.1 m。

1.1 主要設計標準

（1）道路等級:城市主干路；

（2）荷載標準:城-A級；

（3）計算行車速度:50 km/h；

（4）橋梁寬度:機動車道為雙向6車道,并考慮人行及非機動車道,具體為0.3 m（欄桿）+2.0 m（人行道）+3.5 m（非機動車道）+3.0 m（機非分隔帶）+2× 11.25 m（機動車道）+3.0 m（機非分隔帶）+3.5 m（非機動車道）+2.0 m（人行道）+0.3 m（欄桿）=40.1 m；

（5）環境類別:Ⅱ級,嚴寒地區,環境作用等級II-C；

（6）抗震設防標準:地震設防烈度為6度,水平向設計基本地震動加速度峰值為0.05 g,地震動反應譜特征周期為0.45 s,橋梁抗震設防類別甲類；

（7）設計風荷載:取100 a重現期,基本風速33.7 m/s,基本風壓0.60 Pa,橋梁所在場地地表類別為B類。

1.2 橋梁結構參數

該橋結構為雙塔三跨自錨式懸索橋。

雙塔自錨式懸索橋主纜矢跨比一般為1/8～1/4。從結構比例協調、景觀效果考慮,該橋斷面較寬,則需要一定的塔高,相應需采用較大的矢跨比。綜合考慮該橋矢跨比采用1/4.67。

主橋加勁梁采用雙主梁形式,共分為鋼混凝土組合梁、鋼混凝土結合梁、混凝土端橫梁三部份。吊點處鋼混凝土組合梁梁高2.75 m,梁高/主跨=1/50.9。其中鋼箱梁部份梁高2.5 m,混凝土橋面板厚0.25 m。兩道主梁之間設鋼橫梁,鋼橫梁間距為7.0 m。此外,在主梁之間設置了多道小縱梁。端橫梁為預應力混凝土結構。為放置引橋小箱梁,端橫梁設置牛腿結構。

主塔采用混凝土結構,主塔總高58m,橋面以上塔高33 m。塔柱為矩形截面,塔柱間距25.5 m,截面四個角點設齒槽。塔柱沿豎向截面變化,下塔柱截面尺寸為4.9 m×2.5 m,中下塔柱截面尺寸為4.3 m×2.5 m,中上塔柱截面尺寸為4.3 m×2.2 m,上塔柱截面尺寸為3.7 m×1.9 m。兩塔柱間設3道橫梁,橫梁采用預應力混凝土結構,為空心矩形截面。下橫梁截面尺寸為2.5 m×2.5 m,中、上橫梁截面尺寸為2.8 m×1.5 m。

全橋共設兩根主纜,主纜間距25.5 m,按平面布置。主纜錨固于3.0 m機非分隔帶端橫梁處,主纜在塔頂處平順支撐于鞍座上。主纜材料采用鍍鋅高強鋼絲,采用預制平行索股法（PPWS）編索。主纜索股采用37股PPWS-5.3 mm×91鍍鋅高強平行鋼絲,在工廠編制成索股,索股斷面為正六邊形。

該橋主墩下部結構采用樁基礎加承臺的形式。承臺為5 m厚,寬13.9 m的方形承臺,承臺上部進行3 m×2 m的削角處理。樁基礎采用直徑1.5 m的大直徑樁（見圖1）。

圖1 主墩斷面圖

主橋邊墩采用雙柱式,兩根墩柱在頂部采用橫系梁連接。基礎同樣采用樁基礎加承臺的形式。承臺為3 m厚,長10.1 m,寬6.3 m的長方形承臺。樁基礎采用直徑1.5 m的大直徑樁。

1.3 主要施工步驟

因為該橋為自錨式懸索橋,主纜需要錨固在加勁梁上,所以需要先實施加勁梁,再安裝主纜和吊桿。全橋施工過程如下:

（1）施工各橋墩臺樁基礎及承臺,制作鋼梁、橋面板、鞍座、主纜和吊索等構件；

（2）立模澆筑主塔塔身和邊墩混凝土,主橋全橋搭設支架；

（3）實施主橋加勁梁；

（4）安裝塔頂鞍座和散索套,架設主纜；

（5）緊纜、安裝索夾和吊索；

（6）從主塔處吊索向兩邊對稱張拉吊桿,并調整吊索力至設計索力,分次頂推鞍座；

（7）拆除主梁支架,施工橋面系及附屬設施,終調吊索力。

2 結構分析

2.1 荷載取值

（1）結構重力:混凝土容重采用26 kN/m3,鋼材容重采用78.5 kN/m3。

（2）混凝土收縮徐變:根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）收縮徐變理論計算。

（3）基礎沉降:主塔基礎沉降按2 cm考慮,邊墩基礎沉降按1 cm考慮。

（4）汽車荷載:

a.荷載等級:城-A級；

b.車道縱向不折減；

c.橫橋向按6車道考慮,橫向折減系數取0.55,橫向偏載系數取1.20；

d.主橋汽車沖擊系數按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）第4.3.2條取用,結構基頻按動力特性分析數據取用。

（5）人群荷載:按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）第10.0.5條,取3.0 kN/m2。

（6）溫度作用:

a.主梁設計拼裝溫度為5～10℃。橋位處于嚴寒地區,根據規范,混凝土橋面板鋼橋最高、最低有效溫度分布分別為39℃、-32℃；

b.主梁、主塔、主纜和吊桿計算整體升溫40℃,整體降溫-40℃；

c.主梁截面溫度變化按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）第4.3.10條取用。

2.2 建立計算模型

結構分析計算程序采用MIDAS/Civil進行全橋結構分析。

首先采用MIDAS懸索橋建模助手建立初始模型。MIDAS懸索橋建模助手使用Ohtsuki簡化方法計算獲得索的水平張力和主纜的初始形狀,利用懸索單元的柔度矩陣重新進行迭代分析。

對于自錨式懸索橋,由于其加勁梁受較大軸力的作用,加勁梁端部和索墩錨固位置會發生較大變化,即主纜體系將發生變化,所以從嚴格意義來說建模助手獲得的索體系和無應力長與實際并不相符。因此必須對整體結構重新進行精密分析。其過程如下:將主纜和吊桿的力按靜力荷載加載到由索塔墩和加勁梁組成的桿系結構上,計算加勁梁和索塔墩的初始內力,并將其作用在整體結構上。通過反復計算直至收斂,獲得整體結構的初始平衡狀態。

獲得結構的初始平衡狀態后,再對模型進行細化。該橋加勁梁為鋼混組合梁,計算采用程序中的組合截面來模擬鋼混組合梁。加勁梁端部為混凝土梁,計算照實建入。然后改變主纜的約束,將主纜和主梁端部固結。再將塔頂單元和索單元分開,用彈性連接模擬施工過程中的塔索相互滑動。定義更新組和垂點組,進行精確分析。

圖2為修改后的自錨式懸索橋模型。

圖2 有限元模型

2.3 施工階段分析

將精確分析得到的模型進行施工分析,刪除懸索橋分析控制,設置每個施工階段單元的邊界條件和荷載工況。

先建立一個一次成橋施工階段。分析后查看位移和各個單元內力,此施工階段位移為零,各個單元內力和精確分析得到的平衡單元節點與構件內力相同。然后設置倒拆分析的各個施工階段。

擬定的吊桿張拉過程為從最靠近主塔的吊桿開始張拉,跨中吊桿最后張拉,并且主塔兩邊吊桿對稱張拉。由此施工過程進行倒拆分析。倒拆計算結果如表1所列。

2.4 成橋階段分析

將精確分析得到的模型進行成橋分析,刪除懸索橋分析控制,將塔頂節點和索固結,設置成橋運營階段的荷載工況,并進行成橋分析。

主纜的最大應力為507.5 MPa,吊桿最大應力為532.6 MPa。吊索和主纜抗拉強度為1 770 MPa。主纜應力的安全系數大于2.5,吊桿應力的安全系數大于3。主梁最大應力為89.5 MPa,滿足要求。跨中最大位移為115 mm。0.115/140=1/1217＜1/300。

表1 倒拆計算結果一覽表

3 結語

（1）自錨式懸索橋不僅具有懸索橋的跨越能力強,索塔線型流暢優美、生動活潑等優點,而且取消了一般懸索橋龐大的錨錠。因此,自錨式懸索橋在城市橋梁中應用得越來越廣泛。

（2）自錨式懸索橋因為主纜錨固在加勁梁上,其施工方法,以及結構體系與一般懸索橋有所不同。加勁梁不僅承受豎向荷載,而且承受主纜的軸向壓力,因此計算模型需精確模擬橋梁結構。

U448.25

B

1009-7716（2017）07-0067-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.020

2017-03-27

丁勇（1984-）,男,江蘇泰州人,研究生,工程師,從事橋梁工程設計工作。