自锚式悬索桥独柱桥塔结构设计及施工控制分析.pdf

4 0 桥梁建设 2 0 0 9年第 3 期 文章 编号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 0 9 ) o 3 0 0 4 0 0 4 自锚式悬索桥独柱桥塔结构设计及施工控制分析 李建慧 ， 李爱群 ， 罗世 东 ， 李喜 平。 ( 1 东南大学土木工程学院混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室， 江苏 南京 2 1 0 0 9 6 ； 2 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 6 3 ) 摘 要 ：南京 江心 洲 大桥 主桥 为主跨 2 4 8 m 的独 柱塔 空 间缆 索 自锚 式悬 索桥 ， 结 构新 颖 、 造 型 独特 。介 绍该桥 独柱桥 塔 结构设 计 的要 点及 思路 ， 对 其进行 稳 定性及施 工控 制 分析 ， 确定 独柱桥塔 施 工监 控监 测 的原 则 。 关键 词 ：自锚 式 悬索桥 ； 桥 塔 ； 结构设 计 ； 施工控 制 ； 稳 定 性 中图分类 号 ：u4 4 8 2 5 文献标 志码 ：a s t r u c t u r a l de s i g n a nd co n s t r u c t i o n co nt r o l ana l y s i s o f s i n g l e co l u mn to we r o f a s e l f - an c h o r e d s u s pe n s i o n br i d g e lj di a n h u i ，lj ai q u n ，luo sh i d o n g ，lj xi - pi n g ( 1 ke y la b o r a t o r y f o r co n c r e t e a n d p r e s t r e s s e d co n c r e t e s t r u c t u r e s o f t h e mi n i s t r y o f e d u c a t i o n， c o l l e g e o f ci v i l en g i n e e r i n g ，s o u t h e a s t un i v e r s i t y，na n j i n g 2 1 0 0 9 6 ，ch i n a ；2 ch i n a ra i l wa y ti e s i y u a n s u r v e y a n d de s i g n gr o u p co ，lt d ，w u h a n 4 3 0 0 6 3，ch i n a ) ab s t r a c t ：th e ma i n b r i d g e o f na n j i n g j i a n g x i n z h o u b r i d g e ，s t r u c t u r a l l y n o v e l a n d u n i q u e l y c o nf i gu r a t e d，i s a s i n gl e c o l umn t o we r a n d s pa t i a l c a b l e s e l f a nc ho r e d s us pe ns i o n br i d ge wi t h a ma i n s p a n 2 4 8 mth i s p a p e r p r e s e n t s t h e k e y p o i n t s a n d c o n s i d e r a t i o n s o f s t r u c t u r a l d e s i g n o f t h e t o we r o f t h e b r i d g e ， t h e a n a l y s i s o f s t a b i l i t y a n d c o n s t r u c t i o n c o n t r o l o f t h e t o we r a n d a l s o t h e p r i nc i p l e s o f de t e r mi n a t i o n o f c o ns t r uc t i o n mon i t o r i ng a nd c o nt r o l t h e r e o f ke y wo r d s ：s e l f - a n c h o r e d s u s p e n s i o n b r i d g e ；t o we r ；s t r u c t u r a l d e s i g n；c o n s t r u c t i o n c o n t r o l ； s t a b i l i t y 1 引 言 近 年来 ， 自锚 式悬 索 桥 作 为 中等跨 度桥 梁 中美 观和经济的桥型而受到设计者 的青睐， 南京江心洲 大桥为主跨 2 4 8 m 的独柱塔空 间缆索 自锚式悬索 桥， 与国内外 目前 已建 自锚式悬索桥相 比， 其独柱桥 塔 的结构形式仅与天津富民桥n 、 美 国旧金山奥 克 兰 海 湾 大 桥 ( s a n f r a n c i s c o o a k l a n d b a y b r i d g e ) 有些类似。天津富 民桥主跨 1 5 7 0 8 1 m， 由于主缆在边跨不设 吊索 ， 并锚固于重力式地锚 ， 结 构受力明确， 桥塔高度较低 ， 稳定性好 。奥克兰海湾 大桥桥塔高 1 6 0 m， 由 4片五边形箱形截面钢柱通 过剪力钢撑连接而成 ， 其抗震性 能好 、 空间效应强。 南京江心洲大桥独柱桥塔承台以上高 1 0 7 m， 为混 凝土结构 ， 桥塔高跨 比为 0 3 2 ， 长细 比大。该桥桥 塔在设计理念和思路上均有创新之处 ， 尤其体现在 桥塔截面形式 、 塔上钢横梁和塔上斜拉索等方面。 江心洲大桥独柱桥塔是典型高耸结构 ， 稳定性 问题值得关注 ； 其刚度相对较弱， 桥塔的变形会影响 全桥结构线形及受力状态。同时， 自锚式悬索桥吊 索张拉体系转换过程 中， 一般需要分批顶推鞍座来 收稿 e t 期：2 0 0 8 0 9 2 2 基金项 目：国家 8 6 3计划项 目( 2 0 0 6 aa o 4 z 4 1 6 ) ； 国家杰出青 年基金项 目( 5 0 7 2 5 8 2 8 ) 作者简介 ： 李建慧( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 博士研究生 ， 2 0 0 0年毕业于中南大学交通土建专业 ， 工学学士 ， 2 0 0 3年毕业于中南大学铁道 学院， ： 学硕士 ， 现为东南大学博士研究生( s u b wa y 9 6 1 2 6 c o rn) 。 自锚式悬索桥独柱桥塔结 构设 计及施工控制分析 李建慧 ， 李 爱群 ， 罗世 东 ， 李喜 平 4 1 保 证 桥塔 的结 构安 全 ， 因此 ， 应 合理 确定 桥塔 的抗 推 刚度及其允许位移 ， 对桥塔施工控制的要求高。本 文介绍其独柱桥塔结构设计 的要点及思路 ， 对其做 稳 定 性和施 工 控制 分 析 ， 确定 独 柱 桥 塔 施 工 监 控 监 测 的原则 ， 为 同类 桥塔 结 构设 计 及 其 施 工 控 制 提 供 参 考 。 2工 程概 况 南 京江 心洲 大桥 主桥为 独柱 塔 空间 缆索 自锚 式 悬 索桥 ， 孔 跨 布 置 为 ( 3 5 + 7 7 + 6 0 + 2 4 8 + 3 5 )m。 主桥边跨跨度为 1 3 7 m， 在边跨设置 1 个辅助墩 ， 将 边跨跨度划分为( 7 7 +6 0 )m； 主跨跨度为 2 4 8 m， 边 跨与主跨跨度比为 0 5 5 。主梁分 2幅设置 ， 净距为 8 2 m， 2幅主梁之 间以多道横梁连为一体 ， 形成 纵 横梁体系。主跨主梁采用钢箱梁 ， 边跨及锚跨 主梁 采用 预应 力 混凝 土箱 梁 。独柱 式桥 塔位 于 2幅主 梁 之间。桥塔在主梁下方设置 1道横梁 ， 对 主梁提供 竖向支承 。在桥塔横梁端部设置有 1对斜拉索 ， 该 斜拉索穿过 主梁锚 固在桥 塔上 。在设计成 桥状态 下 ， 主跨主缆理论垂度为 1 9 6 7 0 m， 矢跨 比为 1： 1 2 4 3 ； 边跨主缆理论垂度为 8 4 0 2 m， 矢跨比为 1： 1 5 8 3 。主缆共 2 根 ， 每 根含 5 5股平 行 钢丝 索股 ， 每 股含 1 2 7丝 5 3 mm 的镀锌高强钢丝 。主缆在边 跨位于竖直平面内， 锚固于 8号墩顶大横梁中部 ； 在 主跨为空问索形 ， 锚 固于 1 1 号墩顶大横梁两端。柔 性 吊索及斜拉索索股采用 7 0 mm 的镀锌 高强钢 丝平行集束索体 ； 吊索顺桥 向间距为 1 0 m。主跨 吊 索下端锚 固于钢箱梁横桥 向两端 的钢锚箱 内， 采用 横桥 向倾斜的单吊索； 边跨 吊索下端锚 固于横梁 中 部 ， 采用竖直双吊索( 顺桥 向中心 间距 6 o c m) ， 吊索 上、 下锚头均采用冷铸锚 。南京 江心洲大桥主桥总 体布置见图 1 。 35 77 6 0 24 8 3 5 塑 ： m 堂 ) h 日 日 h 3 j j 一 一 i l j f t n r 一 一一 i 1 单位：m 图 1 南京江心洲大桥主桥立 面及 平面布置 3独 柱桥 塔 结构 设计 3 1 塔身设计 南京江心洲 大桥 主桥桥 塔承 台 以上塔高 1 0 7 m， 桥面以上塔高为 8 0 m， 桥塔 高跨 比为 0 3 2 。桥 塔构造见图 2 。桥塔底部 3 m段为塔座 ， 采用实心 圆形变截面 ， 由直径 1 4 3 m 的塔座底截 面直线渐 变至直径 1 1 3 m 的塔座顶截 面。塔身为变截 面， 一 般为空心截面， 局部为实心截面， 截面外轮廓由多 段 凹或凸的圆弧线 围成 ， 截面 内轮廓 为八边形 。塔 身截面外轮廓尺寸纵桥向与横桥向相 同， 在塔座顶 部处为 1 0 m， 在塔座顶部以上 1 4 m处为 8 m， 在塔 座顶部以上 8 9 2 m 处及以上 部分 为 6 m。桥塔在 主鞍座下设有 3 m厚的实体段 ， 该实体段根据受力 需要设有直径 3 2 mm 的横向预应 力钢筋。塔身在 桥塔钢横梁相交处截 面局部加厚 ， 在与斜拉索相交 处设斜拉索锚 固锯齿块 。桥塔在这 2个部位根据受 力需要均设有环向预应力束。桥塔顶部设有鞍室及 装饰段 。为确保桥塔 的施工精度和施工质量 ， 桥塔 的钢筋骨架应具有足够 的刚度 ， 设计 中采用型钢制 成劲性骨架进行加强。 1 里 呈 ： 鱼 一 单 位 ：a m 图 2南京江心洲 大桥 桥塔构造 3 2 桥塔钢横梁 、 斜拉索设计 桥 塔 钢 横 梁设 置 在 主 梁 的 下方 ， 根 据结 构 受 力 需要 ， 采用单箱单室变高箱形截面， 钢横梁长1 5 4 4 3 m， 根部高 3 5 m， 端部高度随顶 、 底板厚度变化及 底板圆曲线过渡而变为 1 9 8 4 9 m。桥塔钢横梁端 部顶板 、 底板 、 腹板厚 2 4 mm； 根部顶板、 底板 、 腹板 厚 3 2 mm； 顶板及底板厚度变化点距桥塔钢横梁根 部 6 3 3 5 9 m， 腹 板 厚 度 变 化 点 距 桥 塔 钢 横 梁 根 部 一 蛊 一 。 。 n= 。 。 一 4 2 桥梁建设 2 0 0 9 年第 3期 6 83 5 9 m 。 在 桥塔 钢 横 梁 根部 处 的桥 塔 外 壁 上设 1块 厚 3 0 mm 的端板 ， 桥塔钢横梁的顶板 、 底板、 腹板穿过 该端板进入塔内， 其中顶板 、 底板进入 2 m， 腹板进 入 1 m。在桥塔钢横梁的顶板、 底板 、 腹板进入塔 内 部 分设有 便 于灌注 混凝 土的孔 洞 ， 并 另外 开设孑 l 洞 ， 穿人直径 2 5 mm 的 hr b 3 3 5 钢 筋 ， 与进入 该孔 的混 凝 土一 起形成 p b i 剪 力 键 。端 板 在 面 向 桥塔 内部 的一侧焊有直径 2 5 mm 的 hr b 3 3 5抗剪钢筋 ， 在面 向桥塔 外部 的一 侧 锚 固着 直 径 3 2 mm 的 精 轧螺 纹 粗钢筋 ， 并与 桥 塔钢 横 梁 纵 向加 劲 肋 焊 接 。在 桥塔 钢横梁 内距端板 1 m处设有 1道横隔板， 在该横隔 板与端 板之 问 的桥 塔 钢 横 梁 内灌 注 c 5 0微 膨 胀 混 凝土 ， 从而确 保桥 塔 钢横 梁 与桥 塔 连接 可靠 且 刚度 过渡顺畅 ， 桥塔钢横梁钢 一混凝土结合段半剖面构 造见 图 3 。 ( a )半立面 ( b )半平面 单 位 ：c m 图 3桥 塔 钢 横 梁钢 一混 凝 土 结合 段 半 剖 面 在 桥塔 横 桥 向 中心 线处 设 置 1对 斜 拉 索 ， 斜拉 索下端锚固于桥塔钢横梁端部的钢锚箱 内， 上端穿 过主梁锚固在桥塔上。斜拉索采用 p e s 7 2 4 1预制 平行钢丝束股( p ws ) ， 外包 p e进行 防护 ， 上、 下锚 头均采用冷铸锚 。 4 稳定 性分析 该桥独柱桥塔为变截面 ， 塔柱的截面抗弯刚度 和重力线刚度沿高度方向没有统一规律， 若将其视 为偏心受压的钢筋混凝土构件 ， 按 公路钢筋混凝土 及预应力混凝土桥涵设计规范 5 计算抗压承载力 ， 塔柱的计算截面和计算长度难以判断 ， 因此采用空 问结构有限元分析程序对其进行稳定性分析 。 在成桥状态下 ， 主缆对桥塔具有保 向力作用 ， 可 在塔顶设置纵横 向弹性约束来考虑主缆对桥塔的约 束作用。在成桥计算模型中分别施加纵向和横 向的 荷载 ， 根据塔顶将产生的纵向和横向位移 ， 求出成桥 时桥塔纵向刚度 k 和水平刚度 kz ， 此刚度包括两 部分 ， 一部分是桥塔 自身的纵 向刚度和横向刚度， 另 一 部分是主缆 提供的纵 向弹性约束和横 向弹性 约 束 。在施工阶段计算模型( 裸塔状态) 中， 施加荷载 可以求出桥塔 自身的纵 向刚度 k 。 和横向刚度 k 。 这样便 可求得主缆对桥塔 的纵向弹性约束 k 。 一 k 。 一k 。 ， 主缆对桥塔 的横 向弹性约束 k 。 一k 一 k 。通过计算分析 ， 该 桥塔 k 。 一1 9 3 1 0 0 k n m， k 。 = = = 2 6 8 4 k n m， 塔 顶最 不利竖 向荷载 为 2 0 0 8 0 0 k n。裸塔 及成 桥 状 态 的桥 塔 稳定 性 分 析 结 果 见 表 1 。计算表明主缆对桥塔的纵、 横向弹性约束对桥塔 的稳 定性 有 很 大 的影 响 ， 改 变 了桥 塔 的失 稳 模 式 。 当不 考虑 主缆对 桥塔 的纵 、 横 向弹性 约束 时 ， 由于桥 塔截面基本对称 ， 纵、 横向稳定安全系数基本相同； 当考 虑 主 缆 对其 的 弹性 约束 时 ， 1阶横 向稳 定 安 全 系数 为 9 3 4 8 ， 而 1阶纵 向稳 定安 全 系数提 高到 4 4 6 3 ， 说 明主缆对桥塔的纵 向约束很大 ， 横 向约束 比较 小 。 表 1 独 柱 桥 塔 稳 定 性 分 析 结 果 项 目 蠢 失 稳 模 态 蠢 失 稳 模 态 考虑主缆纵、 横向弹性约束 9 3 4 8 横向失稳 4 4 6 3 纵向失稳 不考虑主缆纵、 横向弹性约束8 1 8 1 纵向失稳8 4 1 1 横向失稳 5施 工控 制分 析 5 1 刚度 系统分 析 桥塔 的刚度 ， 是确定结构线形调整时应采取控 制措施的主要依据。本文采用有 限位移理论计算分 析桥塔的刚度系统 ， 将变截面塔身、 塔上钢横梁离散 成空间梁单元 ， 塔上斜拉索离散成空问杆单元。桥 塔混凝土和塔上钢横梁典型截面单元的结构参数见 表 2 。经计算南京江心洲大桥独柱裸塔的纵 向抗推 刚度 为 1 8 6 5 5 1 0 k n m； 扭 转 刚 度 为 2 9 0 5 1 0 k n r a d 。相 对 于 门式 独 塔 ， 独 柱 桥塔 刚度 相 对 较 弱 。 表 2空间梁单 元典型结构参数 5 2 预 抬量计 算 自锚式悬索桥成桥状态下 ， 桥塔和加劲主梁均 承受巨大的轴向压力 ， 会产生一定的压缩变形， 该压 缩变形反过来影响成桥缆索的线形及结构的受力状 态 。因此 ， 为使成 桥状 态达 到理 想设 计状态 ， 施 工过 程 中应对 塔上 主鞍 座 、 钢 横 梁 安装 位 置 设 置 相应 的 自锚式悬索桥独 柱桥塔结构设计及施工控 制分析 李建慧 ， 李爱群 ， 罗世东 ， 李 喜平 4 3 预抬量。根据 白锚式悬索桥空间缆索程序系统 s c s a ( s p a t i a l c a b l e o f s e l f - a n c h o r e d s u s p e n s i o n b r i d g e ) 及几 何非线性有限元程序 ， 交互计算塔上各项预偏量、 预 抬量 ， 其计算流程见图 4 。经计算 ， 主鞍座预偏量为 1 2 3 c m， 塔 上 横梁 安装 预抬 量 为 1 4 c m， 主鞍 座安 装 预抬量 为 4 5 c m。 程 ， 采用修正模型计算结果 ， 提供塔上横梁 、 主鞍座 的预 抬量 等控 制参 数 。 6 结 语 南京江心洲大桥主桥独柱桥塔结构设计独特 ， 在成桥恒载作用下， 桥塔承受 1 5 2 1 0 k n的主缆 竖 向分 力 ， 考虑 混 凝土 的收 缩徐 变 、 弹性 压缩 以及 基 础沉降等因素 ， 施工时应对桥塔钢横梁 、 主鞍座在桥 塔 的安 装 位置 等设 置相 应 的预 抬 量 ； 独 柱 桥 塔 的刚 度 相对 较 弱 ， 成 桥 状态 下主 缆对 桥塔 的纵 向约束 大 ， 横 向约束较小 ； 该独柱桥塔对全桥线形 和结构受力 状态的影响较为敏感 ， 施工过程 中， 以塔顶位移、 塔 底应力作为监测控制指标 ， 确保桥塔结构安全。 5 3 桥 塔监 控监 测原 则 参 考 文 献 ： 自锚式悬索桥的结构特点决定了其先塔 、 梁后 1 周泳涛， 李毅谦， 涂金平， 等 天津 富 民桥主缆设 计 与 缆索 的施工工艺 ， 通过 吊索张拉来 实现体 系转换 。 ffe j 公路， 2 0 0 6 ， 1 2 ( 1 2 ) ： 1 4 施工 过程 中 ， 桥塔 的受 力状 态在 不 断 的变化 ， 为保 证 2 井润胜， 汤洪雁， 孙建勋， 等天津富民桥主桥整体结 桥塔结构在施工过程 中的安全 ， 需要合理确定桥塔 构空间分析与设计 j 桥梁建设， 2 0 0 8 ， ( 5 ) ： 1 4 施 工 监控 监测 的原 则 。基 于独 柱桥 塔 的稳定 性 分析 3 3 汤洪雁， 张振学， 井润胜天津富民桥空间缆索关键技 和施工控制分析 ， 确定其施工监控监测的原则如下 ： 术 j 桥梁建设, 2 0 0 8 , ( 5 ) ： 8 一 监 测 桥塔 线 形 、 倾 斜 度 ， 以及 受 温 度 影 响 的 变 形 s “j ，m “ “ r e z r n d 。 m d 。 i g “。 f i 。 。 p i “ g 曲线 ； 根据实测应变值、 弹性模量 、 实际浇注混凝 ba r i d nc h g i ne 。n 。ws ps anjfra “； k。 lfanbd州 b gay 土方量和普通钢筋用料等 ， 修正桥塔有限元模型 ， 预 e gn 。 rin g ， a s e ， 2 o 0 2 ： 7 ( ： 3 1 5 - 3 2 4 。 ng g i ,t i o f 的结构响应 ； 监测塔柱位移及根部 5 j t g d 6 2 2 0 0 4 ，公 路 钢筋 混凝 土及预 应力 混凝 土 桥 应 力 ， 为主 鞍 座 顶 推提 供 依 据 ； 根 据 实 际 施 工