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              益阳资江四桥主桥设计
              2010-11-04 
              概述

                益阳资江四桥是益阳市城市外环路上跨越资江的一座特大桥梁,南岸接线是规划中的虎山路;北岸接线经城市外环路分别与319国道、益沅公路、资阳路相接后再与白马山路连接。南北接线总长12.2 km 。大桥位于益阳市城区资江上游4960 m的青龙洲,总长965.24 m。南、北岸引桥均设计为9×20 m预应力混凝土简支空心板;主桥两侧副孔均设计为2×50 m预应力混凝土等截面现浇连续箱梁;主桥设计为50 m+150 m+200 m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥。

                1.技术标准

                ① 工程等级:近期为Ⅰ级公路,远期为城市外环主干道;

                ② 设计荷载:公路—— Ⅰ级;

                ③ 桥面宽度:主桥总宽28.00 m;引桥总宽25.00 m;

                ④ 设计时速:80 km/h;

                ⑤ 通航标准:Ⅳ一2级,通航净空:50 m×8 m(宽×高);

                ⑥ 地震参数:本区域地震动峰值加速度为小于0.05 g,反应谱特征周期0.35 S;

                ⑦ 设计水位:SW1/10o=41.08 m;设计通航水位HW5%=38.41 m。

                2.建设条件

                桥位处在弯曲河道正中间,在桥位的下游有一江心沙洲(青龙洲),两岸地势开阔平坦,高差小,多为农田,高程约为32-35 m,均筑有防洪大堤。河道均系单式断面,由于河道内采砂船作业频繁,河床高低不平,河床高程介于14-25 m之间。桥位区属冲洪积阶地地貌,河床宽约551 m。

                桥位两岸施工场地开阔,便于施工。不足之处是此处河床较窄,大桥对资江行洪有一定的影响,并且此处是资江的拐弯处,对资江河道通航有一定的影响。

                桥位区域年平均气温16.8℃ ,一月平均气温5℃ ,极端最低气温-9.2℃,七月平均气温29℃ ,极端最高气温40.8℃。桥位区内覆盖层主要为亚粘土、细砂、圆砾及卵石层,厚度较大;基岩主要为板岩。微风化基岩的天然湿度极限抗压强度R a>5 MPa,能够作为良好的大直径嵌岩桩基础持力层。

                3.方案设计

                3.1 桥型方案构思

                本项目是一项跨越资江天堑的宏伟工程,应该在满足使用要求的前提下,结构造型力求安全、适用、经济、美观,体现时代风貌,在桥型方案选择时,除了要满足桥面行车的安全要求外,还必须保证满足航运、水利、防洪等各方面的要求。

                针对该桥的地形、地貌情况,采用梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥都是可行的。但是若采用梁桥,200 m的跨径略大,且该桥型与两岸景观不协调;若采用拱桥,则结构形式与临近桥梁类似,达不到一桥一景的目的;跨径200 m悬索桥造价较高,不够经济。独塔双索面斜拉桥建筑高度小,桥型美观,线条简洁,技术成熟,造价适中[1,2]。因此,经过反复比较和研究,推荐采用独塔斜拉桥方案,桥塔结构采用A型索塔(见图1)。
              图1 桥型布置

                独塔双索面斜拉桥方案主桥以50+150+200m跨越主航道,河床压缩少,有利于汛期泄洪;两个主孔均能通航,能减少船舶撞击的机会。

                3.2 桥跨布置设计

                本桥设计初始,主桥桥孔布置为2×50m+50m+150m+200m+2×50m七跨连续独塔斜拉桥方案进行研究,经过计算发现14号墩顶的主梁负弯矩非常大,而且15号-16号墩以及9号-l0号墩之问的箱梁正弯矩非常大。经过配束、调索以后,这两处的主拉应力、抗裂性、承载能力均达不到规范要求。

                为了解决此处的箱梁问题,将50m区梁高改为3.2m。这样修改以后,经过计算,15号-16号墩以及9号-10号墩之间的箱梁正弯矩很大的问题得到解决,箱梁的抗裂性和承载能力均可以满足要求,但是在14号墩上缘的抗裂性仍然很难满足要求。即使上缘最大应力已经超过规范要求,最小应力仍然有3.2 MPa的拉应力,说明截面的刚度仍然偏小(注:本汁算还没有考虑索、梁温差和塔的左右侧温差,也没有考虑收缩徐变尚未完成时的通车情况,如果再考虑以上情况,主梁最大应力和最小应力会更加不利)。

                若两个辅跨采用变截面的方案,梁高需达到4m,但这样设计造价很高,施工和设计的难度都增加不少。

                综上所述,笔者认为斜拉桥与连续梁直接连接这种结构体系本身会在过渡墩形成薄弱环节,设计此类桥梁时,应予以重视。

                4.结构设计

                4.1 主梁(见图2)
              主梁

                益阳资江四桥主梁采用预应力砼箱梁,单箱四室截面,连续长度400m。箱梁中心线处梁高270 cm,箱梁全宽2820cm,顶、底板厚度均为24 cm。主梁共分成51个节段,0号、1号梁段设计采用支架现浇,其余梁段均设计采用挂篮对称悬浇施工。为了消除边墩支座负反力并增加结构刚度,在索塔处及梁端均采用加大截面面积的方法施加压重。

                主梁纵向预应力束均设计采用9ψs15.2和7ψs15.2钢绞线;主梁顶板厚度40cm处,不设置横向预应力束,顶板厚度24cm处,设置横向预应力束为3ψs15.2钢绞线。

                为了增加主梁横向刚度,改善桥面板受力性能并均匀传递斜拉索拉力,在主梁中设置了多道横梁。标准中横粱厚度30cm,横梁预应力束采用19ψs15.02钢绞线。

                4.2 斜拉索

                斜拉索采用PES(C)7热挤聚乙烯拉索,PESM7冷铸镦头锚固体系,塔端为张拉端,梁端为固定端。拉索为扇形布置的空间双斜索面,全桥共49对,塔端的标准索距为1.5m,梁端的标准索距为8 m,背索索距为6 m。拉索与桥轴线的倾角为27.52°-79.13°。根据各拉索的设计索力并兼顾考虑全桥的

                整体刚度,分别采用PES(C)7-151到PES(C)7-421等八种规格的斜拉索,总用钢量930 t。斜拉索安全系数按2.5控制[3]。。斜拉索成品必须进行超张拉检验,弹性模量检测,静载性能试验和疲劳试验,检测试验方法按《中华人民共和国交通行业标准》GB/T 18365—2001(斜拉索热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件)执行。

                4.3 索塔(见图3)
              索塔

                索塔自承台顶面起总高123.180m,下塔腿及中塔腿均为单箱单室截面,塔根部尺寸为8 m×10 m,中塔腿与下塔腿交接处索塔总宽39.20 m,中塔腿尺寸为4.05 m×7.4 m。拉索锚固段为单箱单室和单箱双室截面,高度为41 m,平面尺寸为4.05 m×7.4 m和6 m-8.95 m X 7.4 m。拉索锚墙厚度为1.5m,两边肋板厚1.0m,拉索锚固段配600置了纵、横向预应力束,分别采用φs15.2钢绞线“U”型布置。

                索塔横梁高5 m,壁厚1.0 m,配置φs15.2钢绞线。横梁顶面上设置了塔、梁临时固结构造,主梁合拢时予以拆除。索塔及13号、16号过渡墩上均设置了纵向、横向限位块,施工时应精确放样,确保纵向漂浮体系的形成。索塔根据计算,各段分别采用了不同的配筋率配置φ32束筋。

                4.4 下部结构

                主桥13号索塔基础设计采用13D 320 cm钻孔灌注嵌岩桩基(基岩为微风化泥质板岩[Ra=7.0MPa],桩端嵌入微风化泥质板岩10 m),分三排呈梅花形布置,承台尺寸33.32 m×16.2 m×6.0m,并设50 cm厚承台封底。l2号辅助墩设计为双柱式墩,基础为2D280钻孔灌注嵌岩桩基(基岩为弱风化泥质板岩和微风化泥质板岩[R a=4.4 MPa]和[Ra=7.0 MPa],桩端嵌入微风化泥质板岩1 m);墩柱为2D 250 cm圆柱墩。墩顶设LYQZ系列双向活动拉压支座和单向活动拉压支座各一个,设计承受6 000 kN 压力、2 000 kN拉力。

                5.结构计算

                益阳资江四桥近期设计为I级公路,四车道;远期规划为城市外环主干道,取消中问的2 m分隔带,半幅行车道由7.5 m变成9 in,相应的由四车道变成六车道。上、下部结构分析按两种行车道宽计算,均满足设计要求。

                5.1 上部构造

                200m斜拉桥运用《Qjx》桥梁综合计算程序进行纵向计算,运用桥梁博士综合计算程序进行纵向计算校核。纵向计算荷载等级为公路一I级,人群荷载采用2.5 kN/m²,结构计算基准温度20℃ ,结构整体温升20℃ ,整体温降15℃,桥面系箱梁温升梯度14℃ ,温降梯度7℃ 。斜拉索与砼温差10℃ ,索塔正反面温差5℃ 。结构离散图及组合一持久状态正截面压应力图见图4,计算结果表明上部结构在最不利荷载组合下,均满足规范要求。
              图4 结构离散图及组合一持久状态正截面压应力图

                5.2 索塔

                索塔静力计算与主梁纵向整体计算同时进行,索塔锚固区以下最大压应力为11.7 MPa,最小压应力为5.2 MPa;索塔锚固应力呈线性分布,均为压应力。

                采用ANSYS通用有限元程序对索塔进行空间分析,得出其基频模态为面内弯曲,基频8.19 Hz;面外最小基频43.6 Hz。桥塔全高范围内在竖向及横向基本为压应力,竖向压应力在3.4-16.4 MPa之间。由于集中力作用,在锚固段连接墙处横桥向外侧局部有小于1 MPa的竖向拉应力。其中横梁与索塔相交处内侧竖向最大压应力为16.4 MPa,塔身最大主压应力16.6 MPa,连接墙处塔身外侧有最大主拉应力为1.1 MPa。

                采用ANSYS通用有限元程序对索塔锚固段和索塔横梁进行空问分析,将计算结果与手算预应力值相叠加得到锚固段实际应力值,计算表明锚固段断面均为压应力。考虑到在张拉u型预应力筋时预应力损失的复杂性,设计在锚固段断面上保持2 MPa左右的压应力。使用桥梁博士对横梁进行受力分析,并用ANSYS校核部分应力结果,在横梁上张拉19φj15.2的预应力钢筋,使横梁在全长范围内均为受压。

                6.施工要点

                索塔采用A型索塔,浇筑过程中,塔柱的稳定性特别重要,尤其是中塔腿部分施工,施工需采取措施加强横向联系,以保证索塔横向的面内稳定及施工精度。

                由于该桥为空间斜索面,各拉索锚块的几何形状复杂,在进行拉索锚固段的施工时,应采用坐标法严格控制施工放样精度,使锚块平面位置误差控制在±5 mm范围内,误差过大将给斜拉索张拉带来很大的困难,并使锚头局部应力增高而导致开裂。

                主梁采用前支点挂篮悬浇施工,挂篮(包括模板及其它施工荷载)设计重量160 t,其中前锚点离梁段前沿75 cm,后锚点离梁段前沿875 cm(6 m梁段为675 cm)。与18 梁段(有辅助墩横梁)对称的18 梁段相应的位置必须进行压重,以保证主梁对称平衡的施工,压重的重量为45 t。

                7.结语

                益阳资江四桥为主跨200 m独塔斜拉桥方案,经过大量的计算分析,克服了跨径大、索塔结构复杂等设计难题,合理地选取了桥梁构造形式。

                同时,大桥的建设能够提高城市道路的成网性和交通流量与流向的合理性,扩大益阳市资江以北地区骨架,可为城市新增建设用地6 km 以上,也为益阳市增加了一道靓丽的风景线。

                参考文献:

                【1】刘土林,斜拉桥[M],北京:人民交通出版社 2002。

                【2】严国敏,现代斜拉桥[M],成都:西南交通大学出版社 1996。

                【3】林元培,斜拉桥[M],北京:人民交通出版社 1994。
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