拱形塔悬索斜拉组合结构桥梁的设计与施工.doc

拱形塔悬索斜拉组合结构桥梁的设计与施工拱形塔悬索斜拉组合结构桥梁的设计与施工黄士柏,郝俊峰,徐海军45文章编号:10034722(2O】O)01004504拱形塔悬索斜拉组合结构桥梁的设计与施工黄士柏,郝俊峰,徐海军(同济大学桥梁工程系,上海200092)摘要:龙城大桥采用三跨拱形塔悬索斜拉组合结构,其跨径布置为(72+l14+30)m.拱形桥塔由索塔及次塔组成,索塔为变截面拱形钢箱结构;次塔与索塔交角为60.主梁为箱形结构.利用MIDASCivil软件进行结构整体分析,在结构重力下主缆的张力约为53000kN;根据初始平衡状态,进行倒拆分析,确定缆索的下料长度和空间坐标.主缆采用三段式散索装置锚目;设计新型的钢锚箱,使缆索在小空间内实现较大集中力的锚固.钢索塔采用现场拼装,竖向转体(扳起法)的方法施工.每边吊杆分3组,每组同时张拉4根,以对主缆进行加载与调位.关键词:悬索斜拉组合结构;结构特点;结构分析;桥梁设计;桥梁施工中图分类号:U448.25;U442.5文献标志码:ADesignandConstructionofaHybridSuspensionandCable.?StayedBridgewithArchPylonHUANGShibai,HAOJunfeng,XUHajun(DepartmentofEngineeringBridge,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:TheLongchengBridgeisathreespanhybridsuspensionandcablestayedbridgewitharchpylonandwithspanarrangement(72+114+30)m.Thearchpylonismadeupoftwopartsofthecablepylonandthesecondarypylon.ThecablepylonisasteelboxstructurewithvariablecrosssectionandtheangleofintersectionbetweenthecablepylonandthesecondaryPyIonis6O.Themaingirderisalsoaboxstructure.BymeansoftheMIDAS/Civilsoftware,theglobalstructureoftheBridgeisanalyzedandthetensileforceofthemaincablesundertheactionofthestructuralgravityisdeterminedtobe53000kN.Inaccordancewiththeinitialequilibriumstatus,theinverseanalysisismadetoobtainthesettingoutlengthandthespatialcoordinateofthemaincables.Theanchorageforthecablesareusedwiththethreesectionsplaysaddles,thenewtypeofthesteelanchorboxesaredevelopedSOthatthecablescanbeanchoredinarelativelygreatconcentrationforcewayinthenarrowspace.Thearchpylonisassembledatthesiteandisinstalledbytheverticalrotatingmethod(pullingupmethod).Thesuspendersoneachsideofthemaincablesareofthreegroupsandthefoursuspendersineachgrouparesimultaneouslytensionedtothedesignedvalueatonetimeeachtimeinordertoapplyloadtoandadjustthemaincables.Keywords:hybridsuspensionandcablestayedbridge;structuralcharacteristic;structuralanalysis;bridgedesign;bridgeconstruction收稿日期:20091113作者简介:黄士柏(1951一),男,高级工程师,1983年毕业于同济大学分校城市道路与桥梁系,工学学士(hsb一0411126.corn).46桥梁建设2010年第1期1工程概况常州又称龙城,在进行京杭运河(常州段)改造工程期间,选中了1座桥梁建筑造型形似一条巨龙的奇特方案,作为常州的一个标志性建筑,取名为龙城大桥.该桥位于常州新城区的常武路,采用拱形塔自锚式悬索斜拉组合结构(图1),其跨径为72122+114m+30m,主桥长2161TI,桥宽40121_,双向6车道其中主跨为1141TI自锚式悬索结构(跨越宽90In的京杭运河);72m边跨为斜拉结构(跨越312国道);301TI辅助边跨为连续梁结构.龙城大桥采用先成桥后开河方案,该方案能满足上部结构采用搭设支架现浇混凝土及在支架上进行钢梁拼装.全桥采用一次落架的施工工艺.I30图1龙城大桥主桥总体布置2结构特点拱形桥塔由索塔,次塔2部分组成,索塔采用一3的悬链线变截面拱形钢箱结构,顺桥向朝边跨倾斜3O.,宽度沿高度方向变化,为传力构件.索塔在桥面上垂直高37m,竖向分为3个区域:桥面以下塔柱与承台连接设置竖向”I”字钢与混凝土梁结合,浇筑C50混凝土;中部区域为钢一混凝土结构,为改善钢塔截面受力,该部内灌注C50微膨胀混凝土,并作为配重降低边跨斜拉索力,同时设置环向加劲肋以避免泵送混凝土时钢箱外鼓;上部区域为钢结构,主要提供主缆及斜拉索的锚固.次塔为非传力构件,仅作为桥塔的特有造型,与索塔交角为60.在桥梁运行时,散索套能在次塔内自由滑移.主梁采用箱形结构,主跨跨中部分采用钢一混凝土结合梁,两侧边跨采用预应力混凝土箱梁结构.结合梁采用封闭箱形的断面形式,由无顶板的钢箱截面与混凝土顶板形成闭合箱形截面,梁高250cm,钢结构腹板厚1416mm,底板厚1624mm,顶板厚22mm.箱梁底板采用U形肋加劲,顶板和腹板采用纵肋加劲.结合梁断面形式见图2.I.-J面盍壶茏菌葱茏亩面单位:cnl图2结合梁横断面主跨的主缆直径为395mm,由2105根j57mm的平行钢丝索股组成,一端锚固于支承处的梁体内,另一端在空中散成7根分缆锚固于索塔.全桥共设48根柔性吊杆和12根刚性吊杆.柔性吊杆为交叉式斜向吊杆,采用双耳式索夹,与主缆的夹角大于9O.刚性吊杆为竖直吊杆.70m边跨设置5对斜拉索以平衡主缆拉力.为减小主跨跨中挠度,30m辅助边跨采用连续梁结构.3结构分析3.1计算模型主桥结构分析分整体结构计算和局部构件计算.本文主要介绍结构整体分析的主要结果.该桥采用MIDASCivil有限元计算程序,考虑在主缆索力施加过程中存在明显的大位移小应变的几何非线性特征进行几何非线性分析.结构整体计算采用空问杆系模型,结构离散模型见图3.主缆索力的施加不是一次完成,而是将每一个施工阶段进行累加I1,考虑混凝土的收缩,徐变等材料非线性,将每个阶段发生徐变收缩之后的影响进行累加计算.图3结构整体计算模型3.2计算参数桥塔,主梁等刚性构件采用空间梁单元模拟,主缆,吊杆和斜拉索等柔性构件采用索单元模拟.外部边界条件为主墩,塔,梁固结,其余墩设支座.内部边界条件包括缆索与结合梁的刚臂连接等.3.3主缆张拉力对于自锚式悬索桥,控制主梁设计的主要是锚固在主梁上的主缆传递来的巨大轴力.该桥主跨跨径为114ITI,由于桥塔向边跨倾斜,主缆实际跨度达拱形塔悬索斜拉组合结构桥梁的设计与施工黄士柏,郝俊峰,徐海军47138m;同时该桥为半跨自锚结构,在结构重力状态下由主缆承担全部荷载,则每根主缆力将达到80000kN.由于该桥主缆锚固于桥塔,此轴力将给拱形塔柱设计带来巨大困难.因此,提出由主缆和主梁共同承担结构重力的设计理念.通过比较,最终确定35的结构重力由主梁承担,65的结构重力由主缆承担.按照结构重力集度,折算到每根吊杆的竖向力为850kN,最终确定吊杆竖向设计力为550kN,在此结构重力下主缆力约为53000kN.3.4初始平衡状态分析确定主缆张力后,进行初始平衡状态分析.在解析解的基础上进行有限元迭代分析,利用MIDASCivil程序提供的悬索桥分析工具,得到初始平衡状态时主缆承载下的缆索线形和索长L.根据该桥的初始平衡状态,进行”倒拆分析”得到缆索空缆状态及缆索无应力长度L.从而确定缆索的下料长度和在空间的坐标位置.3.5主要计算结果(1)上部结构重力引起的支座竖向反力计算结果见表1.主墩塔底的顺桥向弯矩为77489kN?m.表1结构重力引起的反力位置竖向反力/kN72m跨6号墩7号墩塔底主跨8号墩30m跨9号墩合计注:主墩塔底指每个F塔柱底,主墩共2个F塔柱.(2)变形.主缆从挂索时自平衡状态下的悬链线到达到设计力后会发生明显的变形,与一般竖直索面的悬索桥不同,该桥除了有竖向的挠度之外,在横桥向也有明显的变形.主要构件的变形计算结果见表2.表2主要构件的变形值(3)结合梁永久作用效应.结合梁在永久作用下引起的内力计算结果见表3.由表3可知,结合梁在永久作用下,跨中正弯矩使得钢梁下缘受拉,但由于主缆力给主梁施加了一个很大的压力,因此钢梁拉应力值较低(不超过10MPa),远低于钢材的允许应力,强度不控制设计,主要由刚度控制.主缆施加的压力对于负弯矩区的钢结构受力不利,此处的底板厚度得到了加强,下缘压应力(114MPa)满足钢材的允许应力要求,此外还配置纵向和横向加劲以满足稳定计算要求.结合梁的混凝土桥面板其跨中最大压应力(8.69MPa)满足混凝土允许应力要求,并通过焊钉与钢结构连接,在近支点附近负弯矩区通过配置纵向预应力消除此处的拉应力.表3结合梁在永久作用下引起的内力值注:轴力以受压为正,弯矩以F缘受拉为正,剪力以顺时针为正.下同.(4)塔内力分布.索塔不仅要承担缆索锚固传递来的轴向压力,还要承担两侧不完全一致的锚固引起的顺桥向弯矩以及缆索与塔柱不在一个平面内引起的横桥向弯矩(即桥塔面内弯矩).该桥主缆散索后的索股数量少于一般的悬索桥,单根索股索力最大超过了9000kN,增加了桥塔设计的难度.为此,通过调整边跨斜拉索索力来降低桥塔顺桥向弯矩,同时通过优化桥塔平面内形状来降低横桥向面内弯矩.桥塔在永久作用下主要内力分布见表4.表4永久作用下桥塔主要内力分布4关键部件的设计4.1主缆散索套设计主缆的轴力达53000kN,在空中散成7股,最大分缆力(最高1根)达到9100kN,索塔与散索点间的距离14m左右,分缆与主缆的最大转折角度为27.,分缆在张拉时在转折角处产生一个很大的张力.要求该散索点在使用过程中始终处于漂浮状态,在各根分缆力作用下在散索点处不允许主缆松散而造成散索套滑移.经过研究采用散索套+过渡索套+固定防退索夹的”三段式”散索装置(图4),采用45号铸钢件.图4散索装置外形示意散索套成喇叭形,主要为保证7根分缆按照设计确定角度定位.过渡索套为圆锥形,采用高强螺栓连接拼装,用以克服分缆与主缆间的张力和散索48桥梁建设2010年第1期套的滑移,并逐步将7根分缆过渡到整圆.固定防退索夹主要为确保散索点形成主缆后没有滑移.对散索套进行了足尺模型抗滑移试验,计算得出散索套的下滑力为640kN,抗滑安全系数应大于3,即散索套最小抗滑力不小于1920kN.试验时对固定防退索夹的16根M36高强螺栓施加340kN预紧力,对7根分缆进行分级张拉加载,当最大加载至下滑力为2226kN时,固定防退索夹产生滑移.此时索夹的抗滑移系数为3.5,满足要求.4.2钢锚箱设计主缆及边跨斜拉索均锚固在索塔上段,由于桥塔采用变截面拱形结构,拉索与桥塔偏心夹角15.8.,可供设置锚箱空间范围有限,而锚箱所要承担的锚固力非常大(分缆的最大锚固力达到8760kN),锚箱的长度仅700mm.为解决缆索在小空间内实现较大集中力的锚固,经过数值分析和研究,最终确定的锚箱的结构见图5.为使钢锚箱各板材的应力与变形均符合规范要求,同时对锚箱结构进行足尺超载试验lI2.试验结果表明,在弹性阶段计算值与试验值基本接近,在钢材初始屈服阶段钢锚箱可承受2.8倍的设计索力,钢锚箱的极限承载力可达到5.9倍的设计索力,其安全系数满足要求.拱塔中间纵隔板N5拱塔中间纵隔板N6图5索塔锚箱5关键部位施工5.1拱形钢索塔的安装拱形索塔采用拱塔现场拼装,竖向转体(图6)的方法施工,避免了搭设高达40m的支架,解决了钢箱空间吊装,仰卧斜向就位的精度问题.拱形索塔竖转采用扳起法施工方案L3.竖转体系主要由竖转立柱,乎联,同步竖转张拉千斤顶,索塔竖转铰轴,竖转索等组成.索塔竖转采用8台200t千斤顶,布置在主跨与辅助跨的桥墩处,竖转索采用8束钢绞线与竖转体系相连.索塔按分级加载原理进行竖转施工,竖转就位后与预埋段进行焊接.5.2主缆的安装定位大桥的缆索体系是一个空间线形,为使主缆承loooX14皿n钢管统图6索塔竖转示意担桥梁结构重力的65,必须按照设计所确定的线形进行安装.在安装主缆时,确定几个原则:主缆的长度按设计计算的长度下料,主缆最终的位置要达到设计提供的标高