大跨徑全飄浮體系斜拉橋設計與施工研究

楊大海， 劉婉玥， 馬祖橋

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088；3.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

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

蕪湖長江公路二橋是安徽省高速公路網規劃“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;其跨江引橋上部結構采用全體外預應力節段預制拼裝箱梁,跨徑類型為3 m、4 m、55 m。

為了滿足索塔的安全耐久,結構的減振抗震以及標準化快速施工等要求,一系列新型結構和創新技術應用于蕪湖長江公路二橋,下面對此分別進行綜述。

圖1 蕪湖長江公路二橋主橋總體布置

1 結構設計

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,索塔處不設豎向支座,橋塔為獨柱式,斜拉索上端錨固在同向回轉索鞍上,下端采用錨拉板錨固在鋼箱梁兩側,主梁采用分幅式弧形底板扁平鋼箱梁,以降低風阻系數(圖2)。

圖2 鋼箱梁標準斷面示意圖

蕪湖長江公路二橋引橋節段預制拼裝箱梁有3、4、55 m三種跨徑,采用全體外預應力設計,四車道橋梁上部結構采用單箱單室箱梁,六車道上部結構采用單向單室大懸臂帶肋箱梁(圖3)。

圖3 節段梁標準橫斷面示意(單位:mm)

結構中,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。引橋節段箱梁采用C50混凝土,體外預應力采用直徑15.2 mm的無粘結鍍鋅鋼絞線。

2.1 同向回轉錨索系統

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

圖4 同向回轉錨索系統示意

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行錨固。鞍座安裝和定位簡單,就像一道預應力鋼筋管道,穿索、換索施工及后期養護便捷[2]。

2.2 斜置阻尼約束體系

常規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力過大,若設置橫向粘滯阻尼器,則需與日常運營時主梁的縱向運動相匹配,構造比較復雜。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,而是根據試驗及計算研究結果,水平面旋轉β角進行設置,從而實現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置2組(每組4個)斜置粘滯阻尼器,降低了地震響應控制的成本[3-5]。

圖5 斜置阻尼約束體系

2.3 全體外預應力節段拼裝箱梁

蕪湖長江公路二橋引橋段采用全體外預應力節段拼裝箱梁,預制拼裝箱梁有兩種寬度,四種結構(圖6),每種結構包括若干節段:端(中)橫梁節段、端橫梁加強段、轉向塊段、標準節段。合計節段形式僅16種,全橋總計達20034榀節段預制拼裝箱梁,節段數量較多而種類較少,腹板、頂板及底板均為等截面,保證了模板的通用性[6]。

圖6 全體外預應力節段拼裝箱梁

3 蕪湖長江公路二橋案例分析

3.1 整體結構性能分析

使用有限元分析軟件MIDAS Civil對蕪湖長江公路二橋進行整體計算,主梁和橋塔采用梁單元進行模擬,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。主梁左右側腹板構成雙縱梁,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力計算結果如下(表2)。

表1 鋼箱梁應力計算結果

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

3.2 索塔錨固區

使用有限元分析軟件ANSYS對索塔錨固區進行精確應力分析,其中混凝土橋塔采用Solid45單元進行模擬,計算分析結果(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,但在小范圍內即可擴散均勻,其他部位受力均勻未見應力集中。由此可見本鞍座錨固方式可靠,荷載傳遞合理。雖然在鞍座側面和底面相交位置處的混凝土角隅存在少許應力集中現象,但應力集中的范圍和應力峰值均很小,不會影響結構的總體性能[8]。

圖8 拉索錨固區豎向應力云圖

3.3 阻尼約束下結構動力響應

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(表2)。

表2 不同約束下橋梁動力響應最大值

計算結果表明,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支座,降低地震響應控制的成本[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行針對性的理論建模分析,按照單跨長度進行建模,采用簡支支撐。

圖9 帶肋和不帶肋的縱向應力擴散圖(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。對于梁段應力情況,當在頂板上施加豎向力時,除了向固結支承邊橫向傳力外,還分別向兩彈性支承邊縱向傳力,由此分析得知,加肋板的節段梁拼裝后受力模式完全不同于不加肋板的大挑臂結構受力模式,而更趨近于兩端彈性支承一端固結的三向板結構(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),并應用在所有梁段上,最大懸臂長度達397 m。引橋節段箱梁采用了下行式架橋機,梁上運梁、逐跨拼裝,實現了標準化快速施工,并在國內多座橋梁上展開了推廣應用[10]。

圖10 蕪湖長江公路二橋施工現場

4 結 論

本文結合蕪湖長江公路二橋的設計與施工實例,得出以下結論。傳統斜拉橋由于多種問題制約了這種結構體系跨徑的突破,包括索塔傳統錨固形式易導致橋塔產生裂縫;以及對主梁抗震、抗風等綜合研究不足,阻尼設置功能不全,日常振動控制不佳等。蕪湖長江公路二橋通過同向回轉錨索系統、斜置阻尼約束體系等創新技術的應用,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。根據有限元精確應力分析驗證了該錨索系統和阻尼約束體系的可靠性。引橋采用全體外預應力節段箱梁可以減少板厚從而減輕橋梁自重并實現了標準化快速施工,通過有限元模擬分析,明確了橫梁受力特點及開裂過程,并優化配筋。本文技術在促進柱式塔斜拉橋應用于重大工程建設,推動行業基礎理論、設計理念和施工技術進步等方面均具有普遍意義,值得大力推廣。