某懸索橋橋塔及承臺計算分析

李 巍

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 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構。橋塔采用C40混凝土，高度為42m，梁以上高度為30.3m。斷面為內八角型箱型截面，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：

承載能力極限狀態組合Ⅰ：按《公路橋涵施工技術規范》[1](JTG/T 3650—2020)規定，驗算承載能力極限強度；

正常使用極限狀態組合Ⅱ：按《公路橋涵施工技術規范》[1](JTG/T 3650—2020)規定的短期效應組合，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約束，分別給每根吊桿施加10t的初拉力。

3.2 荷載

荷載有結構自重、風荷載、溫度荷載、每根吊桿的初拉力。

(1)橫橋向風荷載

其中：Vg=GvVz=1.27×36.9=46.8

Vz取塔高0.65H處，即基準高度30m處的風速

(2)順橋向風荷載

其中：Vg=GvVz=1.27×51.565=65.5

Vz取塔高0.65H處，即基準高度30m處的風速。

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+負溫差+橫橋向風”組合最不利。橋塔計算及塔下承臺、樁基礎計算均取該組合。

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

(2)取裂縫組合數據(Fz=14572.5kN,Fy=777.8kN,Mx=17204kN,My=7241.1kN)進行橋塔根部截面抗裂驗算，結果為：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)橋塔穩定性：屈曲模態計算

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作用于塔頂，模態1下的屈曲系數為8.2>6，滿足。

3.3.2空纜狀態計算

空纜狀態下不施加吊桿力，主纜兩側水平力相差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，空纜狀態下受力很小，不控制計算結果，因此取成橋階段結果進行橋塔截面驗算及塔下基礎計算。

3.4 鋼橫撐計算

3.4.1鋼橫撐應力計算

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

3.4.2鋼橫撐穩定性計算

同一橋塔上兩榀桁架在中間處設一道聯系，取受力最大壓桿計算。

(1)長細比驗算

(2)平面內穩定性

(3)平面外穩定性

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進行計算，錨栓群中軸向拉力最大值為：

取N=1254.4 kN,F=30.17kN進行計算，節點剪力最大值為：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、寬度方向補強板件尺寸，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格寬度。

擬定的加勁肋尺寸滿足規范要求。

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》規定，當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+負溫差+橫橋向風”組合下承臺受力，“自重+整體降溫+負溫差+順橋向風”組合下承臺受力。經計算比較，按“自重+整體降溫+負溫差+橫橋向風”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。設計：由γ0Did=tbsfcd,s，求出As-1；驗算：根據設計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。

撐桿抗壓驗算結果：γ0Tid=23385.958≤tbsfcd,s=118602.9，通過。

系桿抗拉驗算結果：γ0Tid=15593≤fsdAs=24996，滿足規范要求。

(3)斜截面抗剪承載力計算

斜截面抗剪驗算結果：γ0Vd=17428.67≤VR=40034，滿足規范要求。

(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果：γ0Fld=26848≤FR=86706，滿足規范要求。

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。設計：由γ0Did=tbsfcd,s，求出As-1；驗算：根據設計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。

撐桿抗壓驗算結果：γ0Did=28877.079≤tbsfcd,s=186224.2，滿足規范要求。

系桿抗拉計算見表4。

表4 系桿抗拉統計表

系桿抗拉驗算結果：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計表

斜截面抗剪驗算結果：γ0Vd=26143≤VR=53650，滿足規范要求。

(4)橋塔向下沖切承臺的沖切承載力計算(表6)

表6 沖切承載力統計表

橋塔向下沖切承臺驗算結果：γ0Fld=26848≤FR=93369.6，滿足規范要求。

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 結語

(1)通過建立的成橋空間模型進行分析可知，懸索橋滿足承載能力及正常使用要求，結構整體應力滿足要求。

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

(3)裝飾懸索橋墩結構適用美觀，可結合橋梁工程所處位置地質、地形、墩高及景觀要求等適當調整，達到經濟、適用、美觀等要求。