自錨式懸索橋貓道架設對主塔的影響分析

岳云龍

(沈陽市市政工程設計研究院有限公司 沈陽市 110015)

1 工程概述

沈陽市東塔跨渾河橋位于沈陽渾河城市段上游，王家灣橋下游2km，長青橋上游3km。工程北起沈水路，南至祝科街，全長1460m。東塔跨渾河橋為沈陽市首座自錨式懸索橋。主橋采用格構式鋼橋塔及鋼箱梁，極具工業特色；塔頂裝飾物由沈陽東塔引申而來，造型古樸美觀。工程充分融合了現代技術與歷史的厚重感，展現了沈陽市的歷史文化內涵和城市后工業時期的輝煌成就，與渾河兩岸景觀帶統一協調，相得益彰。

橋梁的長度及孔徑布置，經綜合考慮相交道路的跨越需求、河道的過水斷面、橋梁的結構形式及工程造價等因素后確定。主橋為全鋼結構自錨式懸索橋，跨徑布置為40+90+220+90+40=480m，為半漂浮體系，主纜垂跨比為1/5.5，兩橋塔好似巨人肩膀，肩負老城、新區共同發展的美好愿望[1]，工程效果圖如圖1所示。洪水位以上主塔采用鋼結構，洪水位以下采用鋼筋混凝土結構，主橋在塔柱位置設置觀光平臺。

圖1 沈陽市東塔跨渾河橋效果圖

2 纜索系統設計

主纜架設采用預制平行鋼絲索股法(PPWS)施工[2]，每根主纜共有19股索股，每根索股由127根直徑為5.0mm的高強度鍍鋅鋼絲組成，鋼絲標準抗拉強度為1770MPa。主纜同時承擔檢修走道作用。主纜斷面如圖2所示。

圖2 主纜斷面圖

工程采用銷接吊索，吊索上端采用叉耳與索夾相連，下端采用錨頭、球形螺母與主梁上的錨墊板連接，通過螺母調吊索長度，吊索采用Φ15.2環氧噴涂鋼絞線，單根聚乙烯護套防護，整束纏包高強聚酯帶再擠包聚乙烯護套。所有吊索采用同一種截面，每個吊點設置1根吊索。主梁吊索的鋼導管出口處填充橡膠減震器，鋼導管外設置防水罩。

主索鞍下部設置混凝土段，塔頂設有主索鞍座板，以安裝主鞍座。主鞍座底座要求表面平整并具有足夠的豎向彎曲剛度，故采用鑄鋼整體鑄造成縱橫向格構形式。主鞍座底座底板設混凝土振搗孔，吊裝并準確定位后與塔頂底座承臺混凝土澆注為一體。

主索鞍底座與塔頂之間用錨栓緊緊錨固在一起，索鞍頂推到位調整好后，用成橋鎖定板將鞍體與座板鎖死。為頂推索鞍設置的反力架，用預應力鋼絞線緊緊錨固在塔頂，并通過角鋼與墊塊支撐在塔壁上,施工完成后，將反力架拆除。

3 橋塔設計

橋塔采用鋼混結合形式。從上至下分別由塔頂裝飾物、主索鞍鞍罩、拱式橫梁、格構式橋塔及混凝土底座組成。其中除主塔塔座為混凝土結構外，其余均為鋼結構。塔底承臺高程為37.960m，橋塔的總高為66.623m，橋塔橫橋向中心間距36m。拱式橫梁為箱型截面。橋塔主體結構全部采用Q345D鋼材。橋塔立面如圖3所示。

圖3 橋塔立面圖

(1)混凝土塔座

橋塔混凝土塔座高度12.0m(不包括1.7m混凝土與鋼塔柱連接部分),采用空心箱形截面。塔座上部(7m范圍)平面尺寸為7.2m(縱橋向)×6.6m(橫橋向)，為空心箱形截面，壁厚1m。塔座下部(5m)平面尺寸為7.8m(縱橋向)×7.2m(橫橋向)，為空心箱形截面，壁厚1.3m。全橋共4個塔座，采用C50混凝土。在底部1.7m范圍為鋼柱與混凝土塔座結合處。精軋螺紋鋼筋預埋在混凝土塔座內，穿過設置在混凝土塔座頂承壓鋼墊板。在錨固段內每個鋼柱頂部的內外側均設置若干道支撐加勁肋，精軋螺紋鋼筋施加預應力后錨固在鋼墊板上。

(2)格構式橋塔

格構式架塔柱由四根鋼柱及柱間綴條組成，高度為47.663m。沿高度方向劃分為五個節段，節段長度約為10m，節段之間的現場連接采用焊接的方式。

塔柱鋼柱之間橫橋向中心距離為3.4m，順橋向為4.0m。各個鋼柱截面為內側設置板式加勁肋的箱形截面。鋼柱設置牛腿,用于放置支座及阻尼設施。牛腿將四個鋼塔柱聯成整體。牛腿根部截面高度為3.0m，懸臂處截面高度為2.0m。主塔觀光平臺尺寸為橫橋向8.5m，縱橋向6.0m。平臺最大截面高度為1.058，最小截面高度為0.55m。

主塔塔頂橫梁為鋼箱結構。上弦鋼箱截面為矩形截面。頂底寬4.0m，高1.3m。下弦鋼箱中心線為橢圓曲線，呈拱形造型。鋼箱截面為矩形截面，寬4.0m，高0.9m。

鞍罩結構由立柱、側板、頂板及鞍座下混凝土段組成，總高度為6.96m，立柱高度為6.94m。下部3.263m范圍為索鞍底座部分。在鞍座底座范圍內灌注C50補償收縮混凝土。鞍罩底座部分由下部2.0m高度鋼格柵和1.263m高的C50鋼筋網混凝土組成。與混凝土接觸的鋼格柵內設置剪力釘。

4 貓道設計

貓道應根據懸索橋的跨徑、主纜線形、施工環境條件等因素進行專門設計[3]。本工程單幅貓道設6根Ф26鋼芯鍍鋅鋼絲繩貓道承重索，采用三跨連續式布置形式。貓道總體結構及細部構造如圖4、圖5所示。

圖4 貓道總體示意圖

圖5 貓道與主索鞍連接細部構造圖

貓道每側每4m設置一欄桿立柱，用以固定扶手索。貓道扶手索采用Ф16鍍鋅鋼絲繩，欄桿索采用Ф10鍍鋅鋼絲繩。塔頂設置緊固裝置，緊固裝置采用兩塊鋼板組成，鋼板厚度分別為20mm和30mm，索鞍罩內貓道承重索夾板下設置三組I20a工字鋼，工字鋼長800mm，工字鋼與索鞍罩之間進行焊接，焊腳尺寸為8mm；承重索夾板與工字鋼之間亦進行焊接，承重索夾板尺寸為300mm×400mm，焊腳尺寸為8mm。

5 計算分析

5.1 荷載參數

(1)結構自重：鋼材容重78.5kN/m3。

(2)貓道荷載：貓道荷載考慮貓道恒載、動載、風荷載，合計F=152kg/m；折算成鋼絲繩截面應力為110MPa。

5.2 主塔模型建立

根據橋塔及索鞍罩和貓道塔頂錨固裝置設計圖，采用MIDAS有限元分析軟件建立模型如圖6所示，橋塔Q345D鋼材模型采用板單元模擬。

圖6 有限元模型

5.3 主塔計算分析結果

經計算分析，橋塔應力及變形結果如圖7～圖9及表1所示。

圖7 橋塔正應力計算結果

圖8 橋塔剪應力計算結果

圖9 橋塔表性計算結果

表1 主塔計算分析結果[4]

5.4 主索鞍鞍罩計算分析結果

經計算分析，主索鞍鞍罩應力及變形結果如圖10～圖12及表2所示。

5.5 貓道細部連接分析結果

圖10 主索鞍鞍罩正應力計算結果

圖11 主索鞍鞍罩剪應力計算結果

圖12 主索鞍鞍罩變形計算結果

表2 主索鞍鞍罩計算分析結果

經計算分析，貓道細部連接應力及變形結果如圖13～圖15及表3所示。

圖13 貓道細部連接正應力計算結果

圖14 貓道細部連接剪應力計算結果

圖15 貓道細部連接變形計算結果

表3 貓道細部連接計算分析結果

5.6 穩定分析結果

索鞍罩及鋼塔在貓道荷載作用下，屈曲臨界荷載系數最小為4.20>4，如圖16所示。在橋塔綴件施工完成前應對橋塔位移進行監控測量。

圖16 穩定計算結果

6 結語

通過本文的介紹，希望能為類似自錨式懸索橋貓道設計施工提供更多的設計和研究的經驗：

(1)東塔跨渾河橋在橋塔綴件未施工完成時架設貓道對主索鞍鞍罩的強度影響大于對橋塔的影響，塔頂主索鞍板厚設計時應充分考慮此因素。

(2)本工程采用的6根Ф26鋼芯鍍鋅鋼絲繩為承重索的貓道形式，能夠滿足施工需求。

(3)在橋塔綴件施工完成前應對橋塔位移進行監控測量。