自錨式懸索橋主索鞍座構(gòu)造設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

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(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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)

1 工程概況

本文依托阜陽潁柳路泉河大橋,項(xiàng)目位于阜陽祥源.潁淮生態(tài)文化旅游區(qū)內(nèi),跨泉河水系景觀帶。

潁柳路泉河大橋,橋梁全長755 m,其中主橋?yàn)?2(錨固跨)+82+115+22 (錨固跨)m,獨(dú)塔不等跨自錨式懸索橋,為我省第一座該結(jié)構(gòu)體系橋梁。主橋全寬43.5 m,橋梁荷載等級(jí)為城-A級(jí)。項(xiàng)目2015年12月完成設(shè)計(jì),2017年獲安徽省土木建筑創(chuàng)新獎(jiǎng)二等獎(jiǎng),2019年5月交工通車。

橋梁總體設(shè)計(jì)考慮現(xiàn)場(chǎng)河道不對(duì)稱地形條件,采用115 m主跨跨越通航孔,82 m邊跨跨左岸大堤,獨(dú)塔不等跨布置,減小大跨度主橋規(guī)模[1]。同時(shí)考慮主塔兩側(cè)不等跨特點(diǎn),控制橋塔兩側(cè)主纜矢跨比(其中主跨矢跨比1/12.5,邊跨1/17.31),實(shí)現(xiàn)塔頂主纜水平分力相同,保證主塔恒載下左右側(cè)受力平衡[2]。

圖1 潁柳路泉河大橋?qū)嵕皥D

本文結(jié)合泉河大橋?qū)嶋H工程設(shè)計(jì),介紹自錨式懸索橋主纜鞍座構(gòu)造創(chuàng)新設(shè)計(jì)及鞍座錨固抗滑、強(qiáng)度計(jì)算,為類似城市懸索橋設(shè)計(jì)提供參考。

2 鑄焊結(jié)合主纜鞍座創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 鞍座鑄造構(gòu)件設(shè)計(jì)

主索鞍總成由異性支撐結(jié)構(gòu)+豎向、橫向支撐加勁板+底板及錨固構(gòu)件組成。

施工階段鞍座吊裝安裝,為減少塔頂?shù)跹b及定位難度,主索鞍鞍座采用碳素鋼鑄造件和普通Q345板材拼裝組合的鑄焊結(jié)合結(jié)構(gòu),其中鞍體主體異性支撐結(jié)構(gòu)采用ZG270-480H碳素鋼鑄件(如圖5中陰影部分),其他支撐肋板、底座、隔板等采用Q345B鋼板(圖2-3中非陰影部分)焊接于鑄造件上。

鋼格柵安裝到位后進(jìn)行精確測(cè)量,主索鞍的定位誤差由上承板調(diào)整,主索鞍吊裝到位后,通過定位銷與底板板鎖定[3]。

圖2 主橋總體布置圖

圖3 主塔頂鞍座總體布置

圖4 鞍座總體結(jié)構(gòu)圖

圖中:1為異性支撐結(jié)構(gòu);2為橫向支撐加勁板;3為豎向支撐加勁板;4為底板及與橋塔的錨固構(gòu)件;5為施工鞍座位置預(yù)偏移調(diào)整的頂推自平衡反力架

圖5 鞍座鑄造體構(gòu)造(圖中陰影部分)

圖6 鞍座現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖(鞍罩未安裝)

2.2 鞍座底座及自頂推平移構(gòu)造創(chuàng)新設(shè)計(jì)

考慮空纜階段和成橋階段,主纜線型不同,為實(shí)現(xiàn)橋塔兩側(cè)主纜水平分力各階段均能平衡,空纜階段主索鞍設(shè)置順橋向位置預(yù)偏,施工過程中隨吊桿安裝,需對(duì)鞍座水平位置進(jìn)行局部調(diào)整,頂推至成橋鞍座位置[4-5]。空纜及成橋時(shí)鞍座位置如圖7。

為實(shí)現(xiàn)施工過程中鞍座位置調(diào)整,本項(xiàng)目鞍座底板結(jié)合橋塔既有構(gòu)造空間,設(shè)置鞍座自頂推構(gòu)造實(shí)現(xiàn)鞍座位置平移,不需在橋塔上另設(shè)反力架,簡(jiǎn)化施工措施構(gòu)造,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型自頂推主塔鞍座設(shè)計(jì)[6]。

圖中位置A為空纜時(shí)設(shè)計(jì)預(yù)偏的鞍座位置;B為成橋時(shí)鞍座位置

圖8 鞍座焊接底座及自頂推平移反力構(gòu)造

3 主鞍座座體結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算

主纜通過主索鞍跨越橋塔,主索鞍作為懸索橋關(guān)鍵構(gòu)件,承受主纜豎向分力,鞍座承受豎向力及側(cè)面剪力設(shè)計(jì)階段需對(duì)索鞍強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。同時(shí)在正常使用階段,在各類活荷載作用下主纜兩側(cè)存在不平衡力,鞍槽提供抗滑力,防止主纜在鞍槽內(nèi)移動(dòng),需對(duì)鞍座抗滑移能力進(jìn)行驗(yàn)算[7]。本文結(jié)合規(guī)范及整體計(jì)算,對(duì)上述鞍座強(qiáng)度及抗滑移能力進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算條件

(1)主纜鋼絲[8]

鋼絲直徑d=5.0 mm,σb=1670 MPa

主纜孔隙率(一般位置):20%

主纜孔隙率(索夾處):18%

主纜構(gòu)成5.00×90×37纜徑D=324.0mm

(2)主索鞍角度和纜力:

中跨切線角:33.58°

邊跨切線角:36.93°

“恒載+活載+溫度+風(fēng)”工況下:

邊跨最大纜力:Fct=38 860 kN

中跨最大纜力:Fcl=37 619 kN

3.2 鞍槽中主纜抗滑驗(yàn)算

(1)

Fct:緊邊拉力Fcl:松邊拉力αs:圓弧包角;μ:主纜與槽底或隔板間的摩擦系數(shù),μ=0.15。

根據(jù)歐拉公式:Fct=Fcl×eμ×αs

此時(shí)為臨界狀,若想使主纜在鞍槽中沒有任何滑動(dòng),則應(yīng)該使。

本項(xiàng)目將橋梁總體結(jié)構(gòu)計(jì)算中相關(guān)荷載帶人上述公式,計(jì)算結(jié)果如下:主索鞍抗滑安全系數(shù):K=5.6>2,主纜抗滑移滿足規(guī)范要求。

3.3 鞍座鞍體強(qiáng)度計(jì)算

按照《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》,主纜對(duì)主索鞍的作用力如下所述。

圖9 主纜對(duì)鞍座作用示意圖

(1)各列索股的向心壓力:

(2)

(2)最高索股頂至計(jì)算高度h處的側(cè)向壓力:

(3)

式中:Fc-單根主纜的拉力,取邊中跨較大值來進(jìn)行計(jì)算;n-該列索股根數(shù);ns-單根主纜中索股總股數(shù);rv-該列索槽半徑;μ-摩擦系數(shù),μ=0.15;fv-中央列索股單位體積豎向力;

五是輪養(yǎng)。該魚養(yǎng)殖具有廣泛的適應(yīng)性，不論是單一養(yǎng)殖或者多品種立體混養(yǎng)，都可以采用輪捕輪放，分批上市，捕大留小，提高養(yǎng)殖效益。

(4)

nsc-中央列索股股數(shù);H-中央列索股總高度。

由側(cè)壓力fH或fHs產(chǎn)生的總彎矩MfH可按如下式計(jì)算:

(5)

(6)

表1 鞍座強(qiáng)度主要計(jì)算結(jié)果

鞍槽側(cè)壁根部組合應(yīng)力為77.9 MPa小于鋼材設(shè)計(jì)容許應(yīng)力0.9*270/1.7=143 MPa,滿足規(guī)范要求[9]。

鞍座肋板承受的總豎向力最大值計(jì)算如下:Fv=38 860*sin(37.63)+37 619*sin(33.58)=44 156 kN

鞍座縱橫肋板截面積計(jì)算如下:A=1800*60*6+2500*120=948 000 mm2;

鞍座縱橫肋壓應(yīng)力σ為44156000/948000=46.6 MPa鋼材設(shè)計(jì)容許應(yīng)力143 MPa鞍座縱橫肋的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

主纜、鞍座、索夾等懸索橋特有關(guān)鍵構(gòu)件對(duì)整體橋梁安全至關(guān)重要。本橋鞍座采用鑄、焊結(jié)合設(shè)計(jì),其中鞍座骨架為鑄造件,相關(guān)穩(wěn)定件為普通鋼焊接件,是融合橋梁設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)鑄造、焊接施工技術(shù)一項(xiàng)創(chuàng)新成果;鞍座底座板實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型自頂推設(shè)計(jì),不需要橋塔上設(shè)置反力架,相關(guān)構(gòu)造設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新成果可為類似城市100～200 m跨徑懸索橋設(shè)計(jì)提供參考。

同時(shí)本文結(jié)合規(guī)范給出主纜在鞍槽內(nèi)抗滑移系數(shù)計(jì)算、鞍座鞍體鞍槽側(cè)壁根部組合應(yīng)力、鞍座縱橫肋的壓應(yīng)力計(jì)算算例及計(jì)算結(jié)果,為類似項(xiàng)目結(jié)構(gòu)計(jì)算提供示例。