池州长江公路大桥主桥桥塔上横梁锚固结构设计.pdf

桥梁建设 年第 卷第 期 总第 期 Bridge Construction Vol No Totally No 文章编号 池州长江公路大桥主桥桥塔上横梁锚固结构设计 文 坡 张 强 石建华 中铁大桥勘测设计院集团有限公司 湖北 武汉 摘 要 池州长江公路大桥主桥为主跨 m 的双塔双索面单侧混合梁斜拉桥 桥塔上塔柱 设置 道钢结构上横梁 上横梁均采用箱形断面 竖向中心距均为 m 单个钢横梁长 m 宽 m 高 m 划分为 个块段 各块段间采用 M 高强度螺栓进行拼接 斜拉索分组锚固于各 道钢横梁横隔板之间的锚固构造内 形成索塔体外锚固体系 钢横梁端部与桥塔上塔柱接触位置 设置预埋钢板 通过高强度螺杆及剪力钉将钢横梁与混凝土上塔柱牢固连接 每道钢横梁外部设 置封闭钢珠结构 采用有限元软件对桥塔上横梁锚固结构进行受力分析 结果表明结构受力均满 足规范要求 关键词 斜拉桥 桥塔 钢横梁 索塔锚固 连接构造 钢珠结构 结构设计 有限元法 中图分类号 U U 文献标志码 A Design of Anchorage Structures for Upper Cross Beams on Pylon of Main Bridge of Chizhou Changjiang River Highway Bridge WEN Po ZHANGQiang SHI Jian hua China Railway Major Bridge Reconnaissance Design Institute Co Ltd Wuhan China Abstract The main bridge of Chizhou Changjiang River Highway Bridge is a one side hybrid girder cable stayed bridge with double pylons double cable planes and with a main span of m On the upper columns of a pylon steel upper cross beams are arranged The sections of the cross beams are all the box sections and the vertical c c distances of the cross beams are m The length of a cross beam is m the width is m and the depth is m The cross beam is divided into segments and the segments are spliced by the M high strength bolts The stay cables are anchored in group in the anchorage structures arranged between the diaphragms of each cross beam and consequently the anchorage systems outside the pylon are formed At the positions where the ends of a cross beam contact with the upper pylon columns the pre embedded steel plates are ar ranged and the steel cross beam and the concrete upper pylon columns are firmly connected by the high strength bolt stems and shear studs On the outside of each cross beam the closed steel ball structure is also arranged The finite element software is used to carry out the force condition anal ysis of the anchorage structures for all the upper cross beams and the results of the analysis demon strate that the structural force conditions can satisfy the relevant requirements in the codes Key words cable stayed bridge pylon steel cross beam anchorage in pylon connecting structure steel ball structure structural design finite element method 收稿日期 作者简介 文 坡 高级工程师 E mail wenp brdi com cn 研究方向 公路 铁路桥梁钢结构设计 1 概 述 池州长江公路大桥是安徽省高速公路网中跨越 长江的关键性工程 是沟通安徽省西部地区的纵向 干线公路的重要组成部分 该桥位于长江下游安 庆 芜湖的贵池河段 跨江处左岸为安庆市枞阳县 右岸为池州市 距上游宁安城际铁路安庆长江大桥 桥梁建设 Bridge Construction 约 km 距下游铜陵长江大桥约 km 该项 目路线全长 km 池州长江公路大桥主桥为 主跨 m 的双塔双索面单侧混合梁斜拉桥 桥跨 布置为 m m m m 总体布置见图 大桥按照高速公路 双向 车道设计 设计行车速度 km h 桥面宽 度为 m 通航净空为 m 净宽 m 净高 图 1 池州长江公路大桥主桥总体布置 Fig 1 General Layout of Main Bridge of Chizhou Changjiang River Highway Bridge 主桥桥塔设计为花瓶形结构 图 两桥塔等 高 桥塔由塔柱及上 下横梁等结构组成 其中塔柱 及下横梁为混凝土结构 上横梁为钢结构 单个桥 塔上塔柱设置 道钢结构上横梁 上横梁采用箱形 断面 上横梁之间竖向中心距均为 m 为便于 钢横梁防护及检查维修并与桥塔整体景观造型相匹 配 每道钢横梁外部设置封闭钢珠结构 斜拉索分 组锚固于各道上横梁内部的锚固构造内 形成索塔 体外锚固结构体系 单个桥塔由上而下的 道钢上 横梁分别锚固 对 对 对 对 对 对 斜拉索 斜拉桥桥塔是以承受轴力为主的压弯受力结 图 2 桥塔横桥向布置示意 Fig 2 Layout of Pylon in Transverse Direction of Bridge 构 索塔锚固区是斜拉桥中的关键部位 桥面恒载及 活载产生的斜拉索索力需要通过这一部位安全 可 靠地传递至桥塔塔柱中 该区域受力状态复杂 是斜 拉桥设计 施工的重点和难点 索塔锚固方式与斜 拉索的布置 根数及塔形和构造等方面密切相关 斜 拉桥索塔锚固结构需依据结构受力 斜拉索安装空 间 制造及吊装方案等影响因素进行合理设计 2 桥塔上横梁锚固结构设计 2 1 桥塔上横梁构造及节段划分 经计算 控制该桥桥塔上横梁结构设计的主要 因素是弯矩及剪力 且两者并不同时出现在同一道 钢横梁上 靠近塔柱上侧的钢横梁竖向剪力较大 而 靠近塔柱下侧的钢横梁顺桥向弯矩较大 综合考虑 各个钢横梁的结构内力 索塔锚固构造 斜拉索张拉 空间及节段施工安装等因素 钢横梁采用相同的箱 形结构 高 m 顺桥向宽 m 设置于净距 m 的 个塔柱之间 按照钢横梁内力的不同 对其 顶 底板的板厚进行调整 顶 底板板厚为 mm 外腹板板厚均为 mm 钢横梁沿横桥向设 置 道横隔板 中央横隔板厚 mm 两侧边横隔 板均厚 mm 边横隔板与中央横隔板间距为 m 边横隔板与塔柱预埋钢板间距为 m 钢横 梁结构布置见图 空间布置见图 单个钢横梁最大总重量为 t 为便于施工 分 块进行吊装 首先沿横桥向分为 块 端部 块沿横桥向宽度为 mm 单块吊装重量约为 t 中间 块再沿横竖面对称切割为 块 沿横 桥向宽度为 mm 单块最大吊重约为 t 池州长江公路大桥主桥桥塔上横梁锚固结构设计 文 坡 张 强 石建华 图 3 钢横梁结构布置 Fig 3 Structural Layout of Steel Cross Beam 图 4 钢横梁空间布置 Fig 4 Spatial Layout of Steel Cross Beam 2 2 索塔锚固构造 索塔锚固构造设置于桥塔钢横梁的边横隔板与 中央横隔板之间 通过锚固支承板沿斜拉索方向与 钢横梁横隔板熔透焊接 在 道锚固支承板之间熔 透焊接 道承压板形成井字形结构共同承受斜拉索 锚固压力 在钢横梁边横隔板与端部预埋钢板之 间增设 道竖腹板 板厚均为 mm 且由上而下 设置 道水平隔板进行加劲 钢横梁内部构造及索 塔锚固构造剖面见图 图 2 3 桥塔钢横梁与塔柱连接构造 钢横梁端部的顶 底板及 道竖腹板与预埋在 混凝土塔壁上的钢板在工厂熔透焊接 在工地现场 一起吊装 预埋钢板高 mm 宽 mm 厚 mm 在预埋钢板底部设置有高 mm 宽 图 5 钢横梁内部构造 Fig 5 Inner Structure of Steel Cross Beam 图 6 索塔锚固构造剖面 Fig 6 Section of Anchorage Structure in Pylon 桥梁建设 Bridge Construction mm 的通道孔 便于检修及安装人员从塔柱进入钢 横梁 钢横梁端部与塔柱之间采用 根矱 mm 和 根矱 mm 的高强度锚杆进行连接 高强 度锚杆的一端锚固于焊接在钢横梁外壁板的钢牛腿 上 锚固牛腿高 mm 另一端通过高强度螺母锚 固于混凝土塔柱内的钢结构锚板上 钢横梁端部的竖向剪力通过预埋钢板与塔柱混 凝土的摩擦力及剪力钉进行传递 弯矩通过设置在 钢横梁和塔柱之间的高强度螺杆承受 钢横梁所承 受的轴力和扭矩不控制设计 可由上述结构共同 承受 2 4 桥塔钢横梁外部钢珠构造 为便于钢横梁防护及检查维修并与桥塔整体景 观造型相匹配 在每道钢横梁外部设置封闭钢珠结 构 钢珠直径为 m 珠壳厚 mm 将整个钢 横梁包裹在内 钢珠内部沿横桥向设置 道通长 经肋 按等间距布置 设置 道环向纬肋 横桥向间 距为 mm 和 mm 在钢珠环向纬肋与钢 横梁外缘 道环形加劲肋之间 通过型钢杆件连成 道横联 将钢珠结构支撑在钢横梁上 道经肋 与 道纬肋组成钢珠内部支撑结构 可作为钢珠制 造的内部胎架 钢横梁外部钢珠构造见图 3 桥塔钢横梁锚固结构受力分析 采用三维空间有限元软件 D Bridge 建立全桥 模型进行总体计算分析 提取钢横梁内力见表 在全桥总体计算的基础上 采用通用有限元程 序 ANSYS 建立桥塔有限元分析模型对索塔锚固结 构进行局部分析 桥塔下塔柱和中塔柱采用三 表 1 钢横梁内力 Tab 1 Internal Forces of Steel Cross Beams 钢横梁 编号 扭矩 kN m 顺桥向弯矩 kN m 轴力 kN 竖向剪力 kN T g T g T g T g T g T g 维梁单元 Beam 模拟 上塔柱采用实体单元 Sol id 模拟 钢横梁各板件采用板壳单元 Shell 模 拟 连接上塔柱和钢横梁的高强螺杆采用桁架单元 Link 模拟 共划分 个单元 计算模型见图 桥塔钢横梁应力计算结果见表 由表 可 知 钢横梁外壁板 顶板 底板 腹板 及横隔板在计 算荷载作用下的 Von Mises 应力最大值为 MPa 发生在钢横梁与预埋钢板连接处的底板位置 钢横梁横桥向压缩量最大值为 mm 发生在最 下面一道钢横梁 强度及刚度满足结构受力要求 索塔锚固箱及钢横梁端部预埋钢板局部承压应力最 大值为 MPa 满足结构受力要求 表 2 桥塔钢横梁应力计算结果 Tab 2 Calculation Results of Stress of Steel Cross Beams on Pylon 钢横梁 编号 最大 Von Mises 应力 MPa 外壁板 横隔板 中央横隔板边横隔板 索塔锚固箱预埋钢板 E fl E fl E fl E fl E fl E fl 图 7 钢横梁外部钢珠构造 Fig 7 Steel Ball Structure on Outside of Steel Cross Beam 池州长江公路大桥主桥桥塔上横梁锚固结构设计 文 坡 张 强 石建华 图 8 塔柱与钢横梁局部计算模型 Fig 8 Calculation Model for Local Parts of Pylon Columns and Steel Cross Beam 4 桥塔上横梁锚固结构施工 池州长江公路大桥主桥斜拉索分组锚固在桥塔 上部 道钢横梁上 结构复杂 工地施工较难 每道 钢横梁采用塔吊进行 块段安装 施工步骤为 浇注混凝土下塔柱及中塔柱 塔吊自爬升 至距钢横梁约 m 的节段 塔柱间同步安装 道 横撑 塔柱混凝土浇筑到距离钢横梁 侧板底口附 近位置 在上面绑扎钢筋笼 安装钢横梁的支撑横梁 并调位液压千斤顶 钢横梁分 块段一起由驳船运 抵施工现场并在下游侧抛锚定位 利用塔吊分 次起吊钢横梁端部 块段 吊放在支撑横梁初步就位 用限位装置进行限位固 定 再利用三向千斤顶调整位置 最终精确定位 利 用塔吊起吊钢横梁中间 块段 在支撑横梁上精确 定位 中间 块段在顺桥向用高强度螺栓连接 并与 钢横梁端部 块节段用冲钉或普通螺栓进行临时连 接 将钢横梁连接成整体 绑扎塔柱钢筋 预埋预应力高强度锚杆 分 次浇注钢横梁 范围内的塔柱混凝土 待混凝土 强度达到要求后张拉高强度锚杆 然后将钢横梁块 段间临时连接的冲钉或普通螺栓置换为高强度螺 栓 并终拧 完成钢横梁 的安装 按相同方法完成 钢横梁 的安装及对应部位塔柱混凝土的浇注 主桥斜拉索施工结束后 拆除钢横梁调位系统 采用 塔吊逐块进行钢横梁外包钢珠的安装 完成桥塔上 横梁锚固结构施工 5 结 语 池州长江公路大桥主桥斜拉索分组锚固于桥塔 上部钢横梁上 设计 制造及施工难度较大 通过深 入研究及计算分析 使得结构设计得以顺利完成 结 构受力满足要求 结构制造及安装方案成熟可行 大桥已于 年 月 日正式开工建设 目前正 在进行桥塔下部结构施工 预计 年建成通车 参考文献 References 高宗余 沪通长江大桥主桥技术特点 J 桥梁建设 GAO Zong yu Technical Characteristics of Main Bridge of Hutong Changjiang River Bridge J Bridge Construction in Chinese 秦顺全 高宗余 潘东发 武汉天兴洲公铁两用长江大 桥关键技术研究 J 桥梁建设 QIN Shun quan GAO Zong yu PAN Dong fa Re search of Key Techniques for Wuhan Tianxingzhou Changjiang River Rail cum Road Bridge J Bridge Construction in Chinese 丁望星 姜友生 荆岳长江公路大桥设计 J 桥梁建 设 DING Wang xing JIANG You sheng Design of Jingyue Changjiang River Highway Bridge J Bridge Construction in Chinese 王 旋 琅岐闵江大桥主桥设计 J 世界桥梁 WANG Xuan Design of Main Bridge of Langqi Min jiang River Bridge J World Bridges in Chinese Chang Kyu Park In Ho Jang Jun Soo Ha 等 韩国 桥梁建设 Bridge Construction 巨加大桥的设计与施工 J 游新鹏 译 世界桥梁 Chang Kyu Park In Ho Jang Jun Soo Ha et al The Practice of One Central Plane Three Bundles Cable Stayed Bridge with Composite Truss Girder J YOU Xin peng Translated World Bridges in Chinese 刘玉擎 陈 聪 郑双杰 钢锚箱嵌固型索塔锚固结构 受力机理分析 J 桥梁建设 LIU Yu qing CHEN Cong ZHENG Shuang jie A nalysis of Force Mechanism of Pylon Anchorage Struc ture of Fixed End Steel Anchor Box Type J Bridge Construction in Chinese 唐 可 郑舟军 陈开利 等 荆岳长江公路大桥索塔 锚固区实桥受力机理试验研究 J 桥梁建设 TANG Ke ZHENG Zhou jun CHEN Kai li et al Test Study of Force Mechanism of Pylon Anchorage Zone of Actual Bridge of Jingyue Changjiang River Highway Bridge J Bridge Construction in Chinese 文 坡 杨光武 徐 伟 黄冈公铁两用长江大桥主桥 钢梁设计 J 桥梁建设 WEN Po YANG Guang wu XU Wei Design of S