某懸索橋橋塔及承臺計算分析

李 巍

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

1 項目概況

本工程為某大橋裝飾懸索部分，工程全長336m，跨徑布置為68+200+68=336m。

橋梁景觀裝飾部分采用懸索橋結(jié)構(gòu)。橋塔采用C40混凝土，高度為42m，梁以上高度為30.3m。斷面為內(nèi)八角型箱型截面，順橋向4.5m，橫橋向2.5m；在橫撐部位及梁以下部位采用實心斷面。橫橋向橋塔由兩道鋼管組成的桁架橫撐相連，鋼材型號為Q235B。上、下弦為方管40cm×40cm×2cm，斜腹板為圓管Φ20.3×1.6cm。斜撐上、下弦與橋塔采用錨栓連接。

吊桿上端連接到主纜上，下端連接到梁底，兩側(cè)邊跨吊桿為7@7.5m，中跨吊桿為24@7.5m。

2 荷載情況

荷載考慮如下兩種組合：

承載能力極限狀態(tài)組合Ⅰ：按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[1](JTG/T 3650—2020)規(guī)定，驗算承載能力極限強(qiáng)度；

正常使用極限狀態(tài)組合Ⅱ：按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[1](JTG/T 3650—2020)規(guī)定的短期效應(yīng)組合，計算混凝土裂縫寬度。

3 橋塔計算分析

3.1 橋塔計算模型簡介

用MIDAS梁單元建立成橋階段裝飾懸索橋橋塔、主纜、吊桿、鋼橫撐的空間模型[2]。分別在橋塔塔底、主纜錨定處施加全固結(jié)約束，分別給每根吊桿施加10t的初拉力。

3.2 荷載

荷載有結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、溫度荷載、每根吊桿的初拉力。

(1)橫橋向風(fēng)荷載

其中：Vg=GvVz=1.27×36.9=46.8

Vz取塔高0.65H處，即基準(zhǔn)高度30m處的風(fēng)速

(2)順橋向風(fēng)荷載

其中：Vg=GvVz=1.27×51.565=65.5

Vz取塔高0.65H處，即基準(zhǔn)高度30m處的風(fēng)速。

3.3 橋塔計算

3.3.1成橋階段計算

通過對比，取“自重+整體降溫+負(fù)溫差+橫橋向風(fēng)”組合最不利。橋塔計算及塔下承臺、樁基礎(chǔ)計算均取該組合。

(1)橋塔主筋為Φ25@10cm，采用橋梁博士截面驗算工具，取承載力組合數(shù)據(jù)(Fz=19363.7kN,Fy=1242.2kN,Mx=27965.3kN,My=9604.4kN)進(jìn)行橋塔根部截面承載力驗算，截面抗力:NR=43700kN≥Nj=17600kN

(2)取裂縫組合數(shù)據(jù)(Fz=14572.5kN,Fy=777.8kN,Mx=17204kN,My=7241.1kN)進(jìn)行橋塔根部截面抗裂驗算，結(jié)果為：長期荷載裂縫最大寬度0.0729mm，容許裂縫寬度0.2mm，抗裂性驗算滿足。

(3)橋塔穩(wěn)定性：屈曲模態(tài)計算

在midas模型中去掉主纜和吊桿，將主纜自重、吊桿力、主纜及吊桿上的橫向風(fēng)作用于塔頂，模態(tài)1下的屈曲系數(shù)為8.2>6，滿足。

3.3.2空纜狀態(tài)計算

空纜狀態(tài)下不施加吊桿力，主纜兩側(cè)水平力相差60kN，計算出塔底反力如表1。

表1 橋塔底部反力值

與成橋階段比較，空纜狀態(tài)下受力很小，不控制計算結(jié)果，因此取成橋階段結(jié)果進(jìn)行橋塔截面驗算及塔下基礎(chǔ)計算。

3.4 鋼橫撐計算

3.4.1鋼橫撐應(yīng)力計算

在恒載+整體升溫+正溫差+橫向風(fēng)荷載組合作用下，鋼橫撐最大應(yīng)力為71.51<140MPa，滿足要求。

3.4.2鋼橫撐穩(wěn)定性計算

同一橋塔上兩榀桁架在中間處設(shè)一道聯(lián)系，取受力最大壓桿計算。

(1)長細(xì)比驗算

(2)平面內(nèi)穩(wěn)定性

(3)平面外穩(wěn)定性

3.4.3鋼橫撐與橋塔連接計算

橫撐端部與橋塔連接處受力最大，其中上弦端部受拉；下弦受壓。

(1)錨栓計算

取N=1073.17kN,M=25.76kN·m進(jìn)行計算，錨栓群中軸向拉力最大值為：

取N=1254.4 kN,F=30.17kN進(jìn)行計算，節(jié)點剪力最大值為：F=1254.4×cos61.1°+30.17×sin61.1°/12=52.72kN

錨栓錨固長度取1.5m>25d=25×42=1.05m，滿足規(guī)范要求。

(2)底板計算

L=h+2l1+2l2=400+2×170+2×30=800mm，B=b+2b1+2b2=400+2×170+2×30=800mm

式中：h、b為橫撐方鋼管截面高度、寬度(mm)；l1、b1為底板長度、寬度方向補(bǔ)強(qiáng)板件尺寸，按照錨栓間最大、最小容許距離取170mm；l2、b2為底板長度、寬度方向的邊距，一般取10～30mm。

按懸臂板計算，根部最大彎矩為

式中：Nta為一個錨栓所承受的拉力(N)；lai為從錨栓中心至底板支承邊的距離(mm)；D為錨栓的孔徑(mm)。

取底板厚度60mm>44.4mm。最終，取底板尺寸為：800mm×800mm×50mm。

(3)加勁肋計算

加勁肋擬定尺寸滿足構(gòu)造要求，加勁肋厚度與底板連接可采用坡口熔透焊。

式中：Vi為其承受底板下混凝土基礎(chǔ)的分布反力按懸臂支承得到的剪力，取74.29kN；aRi為加勁肋所承受的底板區(qū)格寬度。

擬定的加勁肋尺寸滿足規(guī)范要求。

3.5 橋塔承臺計算

承臺尺寸為10.5m×7.5m×2.5m。橫橋向承臺中心與橋塔中心偏離0.78m，承臺中心與群樁中心偏離0.5m。按《橋規(guī)》規(guī)定，當(dāng)外排樁中心距墩臺身邊緣等于或小于承臺高度時，承臺短懸臂可按“撐桿—系桿體系”計算撐桿的抗壓承載力和系桿的抗拉承載力。

“自重+整體降溫+負(fù)溫差+橫橋向風(fēng)”組合下承臺受力，“自重+整體降溫+負(fù)溫差+順橋向風(fēng)”組合下承臺受力。經(jīng)計算比較，按“自重+整體降溫+負(fù)溫差+橫橋向風(fēng)”組合下對承臺計算最不利。橋塔下承臺需要取橫橋向(計算寬度7.5m)、縱橋向(計算寬度10.5m)分別進(jìn)行計算。

3.5.1橋塔承臺橫橋向計算

(1)承臺底面單樁豎向力設(shè)計值計算(表2)

表2 承臺底面單樁豎向力(橫橋向)

(2)撐桿—系桿體系計算

計算條件:當(dāng)外排樁中心距墩臺身邊緣等于或小于承臺高度時按“撐桿-系桿體系”計算。設(shè)計：由γ0Did=tbsfcd,s，求出As-1；驗算：根據(jù)設(shè)計As值，判斷γ0Did≤tbsfcd,s

在撐桿計算寬度bs(系桿計算寬度)范圍內(nèi)系桿鋼筋截面面積As(mm2)的確定：選取As-1、As-2=γ0Tid/fsd中的最大值，作為系桿鋼筋面積As。

撐桿抗壓驗算結(jié)果：γ0Tid=23385.958≤tbsfcd,s=118602.9，通過。

系桿抗拉驗算結(jié)果：γ0Tid=15593≤fsdAs=24996，滿足規(guī)范要求。

(3)斜截面抗剪承載力計算

斜截面抗剪驗算結(jié)果：γ0Vd=17428.67≤VR=40034，滿足規(guī)范要求。

(4)橋塔向下沖切承臺的沖切承載力計算

橋塔向下沖切承臺驗算結(jié)果：γ0Fld=26848≤FR=86706，滿足規(guī)范要求。

3.5.2橋塔承臺縱橋向計算

(1)承臺底面單樁豎向力設(shè)計值計算(表3)

表3 承臺底面單樁豎向力(縱橋向)

(2)撐桿—系桿體系計算

計算條件:當(dāng)外排樁中心距墩臺身邊緣等于或小于承臺高度時按“撐桿-系桿體系”計算。設(shè)計：由γ0Did=tbsfcd,s，求出As-1；驗算：根據(jù)設(shè)計As值，判斷γ0Did=tbsfcd,s。

在撐桿計算寬度bs(系桿計算寬度)范圍內(nèi)系桿鋼筋截面面積As(mm2)的確定：選取As-1、As-2=γ0Tid/fsd中的最大值，作為系桿鋼筋面積As。

撐桿抗壓驗算結(jié)果：γ0Did=28877.079≤tbsfcd,s=186224.2，滿足規(guī)范要求。

系桿抗拉計算見表4。

表4 系桿抗拉統(tǒng)計表

系桿抗拉驗算結(jié)果：γ0Tid=12265≤fsdAs=23645，滿足。

(3)斜截面抗剪承載力計算(表5)

表5 斜截面抗剪承載力統(tǒng)計表

斜截面抗剪驗算結(jié)果：γ0Vd=26143≤VR=53650，滿足規(guī)范要求。

(4)橋塔向下沖切承臺的沖切承載力計算(表6)

表6 沖切承載力統(tǒng)計表

橋塔向下沖切承臺驗算結(jié)果：γ0Fld=26848≤FR=93369.6，滿足規(guī)范要求。

因此，承臺縱向配筋為105Φ32(一層)，橫向配筋為111Φ32(一層半)均滿足按“撐桿—系桿體系”計算撐桿的抗壓承載力和系桿的抗拉承載力、抗剪承載力及沖切承載力。

4 結(jié)語

(1)通過建立的成橋空間模型進(jìn)行分析可知，懸索橋滿足承載能力及正常使用要求，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力滿足要求。

(2)橋塔計算及塔下承臺計算均取“自重+整體降溫+負(fù)溫差+橫橋向風(fēng)”最不利組合，各項受力指標(biāo)及穩(wěn)定性驗算滿足要求。

(3)裝飾懸索橋墩結(jié)構(gòu)適用美觀，可結(jié)合橋梁工程所處位置地質(zhì)、地形、墩高及景觀要求等適當(dāng)調(diào)整，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、適用、美觀等要求。