跨海大桥主桥桥型方案构思与设计研究.pdf
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1、第41卷第8 期2023年8 月文章编号:10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 8-0 19 8-12Vol.41,No,8Journal of Municipal TechnologyAug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.198跨海大桥主桥桥型方案构思与设计研究李乾坤1,2(1.广东和立土木工程有限公司,广东广州51140 0;2.广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东广州510 0 0 0)摘要:介绍了某跨海大桥主桥的方案构思和设计比选过程,由于受通航、航道、区域发展总体规划、一桥一景等因素制约,经过对不同桥型结构主桥初步比选
2、后,选择以拱桥跨越为主的桥型方案,并结合桥位环境因素对主梁、主拱、拱轴系数、矢跨比、墩柱类型等主要构造参数进行了优化组合,最终确定了采用主桥跨径为2 8 6 m的下承式提篮拱桥,其拱轴系数为1.5,矢跨比为1/5,采用陀螺形钢箱截面拱肋以及双边钢箱主梁。同时,采取海工高性能混凝土十疏水化合孔栓物添加剂等多种措施提高了桥梁结构耐久性,并采用有限元软件对主桥抗震性能进行了计算分析,得到了桩基截面配筋率需求较高的结论。关键词:跨海大桥;主桥桥型;方案构思;结构设计;提篮拱桥中图分类号:U442.5;U 448.2 7Researchon Conceptionand Design of the Mai
3、n Bridge Type Planfor2.Guangdong Communication Planning&Design Institute Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China)Abstract:The conception and design comparison&selection process of the main bridge of a sea-crossing bridge isintroduced in this paper.After the preliminary comparison&selection for the mai
4、n bridges of various types,the planwhich mainly focused on the arch bridge crossing was selected due to the restriction by navigation,channel,region-al development planning and the unique bridge aesthetic factors.Combined with the environment of the bridge loca-tion,the major structural parameters o
5、f the main girder,main arch,arch axis coefficient,span-to-rise ratio and typeof piers were optimized to determine a X-style arch bridge with a main span of 286 meters,an arch axis coefficientof 1.5 and a span-to-rise ratio of 1/5.A helical steel box section for the arch ribs and bilateral steel box
6、main girderswere adopted.In addition,measures such as high-performance marine concrete and hydrophobic hole-bolt additiveswere applied to enhance the durability of the bridge structure.The seismic process of the main bridge was calculatedby finite element software to get the high reinforcement ratio
7、 demand in pile foundation bearing surfaces.Key words:sea-crossing bridge;main bridge type;plan conception;structure design;X-style arch bridge文献标志码:Aa Sea-crossing BridgeLiQiankun.2(1.Guangdong Heli Ciwil Engineering Co.,Ltd.,Gaungzhou 511400,China;跨海大桥主桥桥型方案比选较为复杂,而桥型方案对整个项目的工程造价和使用功能具有决定性的作用。笔者以某
8、跨海大桥为背景,对其主桥桥型方案进行构思与设计,以交通功能为主要目的,以结收稿日期:2 0 2 3-0 3-17作者简介:李乾坤,男,工程师,硕士,主要从事桥梁结构设计方面的研究工作。引文格式:李乾坤.跨海大桥主桥桥型方案构思与设计研究J.市政技术,2 0 2 3,41(8):198-2 0 9.(LIQK.Researchonconception anddesignof the main bridge type plan for a sea-crossing bridgeJ.Journal of municipal technology,2023,41(8):198-209.)构、材料、施工
9、技术、耐久性等为基本条件,并结合环境因素,对多种桥型方案进行比较,在充分考虑经济性的前提下选出最佳主桥桥型方案。第8 期1主要技术标准1)公路等级:一级;2)行车速度:8 0 km/h;3)设计荷载:公路-I级;4)地震烈度:按VI度设防;5)设计基本风速:Vs1o=45.1 m/s;6)设计洪水频率:1/30 0;7)通航标准:同时满足10 0 0 t级海轮以及部队船舶通航要求,单孔双向通航,通航净空尺寸为19 1m(宽)x38 m(高)。2主桥桥型方案比选2.1方案构思1)首先考虑桥梁满足实体质量和功能质量要求,其次考虑以下因素:航道通航等级高,要求单孔双向通航;应符合桥景结合的美观要求;
10、应充分运用先进的设计理念,积极采用新结构、新材料、新工250250桥跨分界线拱轴线交点李乾坤:跨海大桥主桥桥型方案构思与设计研究291002860029900大对称中心线199艺;应充分重视生态环境和自然景观的保护,力求将对其的影响程度降到最低1-2。综合考虑上述因素以及其他建设条件,确定拟建跨海大桥通航孔跨径为286m。若采用连续梁桥和连续刚构桥方案,在满足通航要求情况下需要增加桥长,显然不经济且景观效果差。由于该跨海大桥跨径不在悬索桥经济跨度范围内,且不宜采用自锚式悬索桥,因此可选择拱桥和斜拉桥作为主桥桥型方案。2)从经济角度考虑,不宜采用上承式和中承式拱桥方案,单跨下承式拱桥更为经济,景
11、观上更能突出主拱,且其为外部静定、内部超静定结构3,兼具较大跨越能力和对地基适应能力强的特点,受力明确,施工方便4。此外,该跨海大桥位于广东省湛江市,为了更好地体现当地特色,主桥桥型方案设计时考虑在拱顶设置“明珠”“明珠”既寓意湛江作为中国陆地最南端的“地之角”一颗璀璨的珍珠,也代表湛江文化中与海上丝路文化共生的“明珠”文化。因此,拱桥方案推荐采用下承式提篮拱桥,具体布置见图1。2501250拱轴线交点桥跨分界线888伸缩缝3)在同等主跨条件下,独塔斜拉桥比双塔斜拉桥造价高、工期长,且独塔斜拉桥边孔需设置12 个辅助墩,增加了通航船撞击的风险。而双塔斜拉桥借助2 座主塔共同形成的主跨,能实现较
12、大的跨越,受桥下净空和桥面标高的限制少,是受力最为理想的斜拉桥结构布置方式,也是最常使用的的结构形式。因此,斜拉桥方案推荐采用双塔斜拉桥5-6,具体布伸缩缝19100008最高通航水位4.7 6 m(198 5国家高程)地面线图1下承式提篮拱桥方案布置图(cm)Fig.1 Layout of underpass X-style arch bridge plan2.2方案设计根据地形、地质、河势、水文、通航、防洪、抗震等方面的要求以及上述方案构思7-8,对以下4个方案进行比选研究:1)方案1:下承式钢主梁提篮拱桥。主桥主跨拱轴中心线计算跨径为2 8 6 m,矢高为57.2 m,矢跨比最低通航水位
13、-1.52 2 m(198 5国家高程)置见图2。市放技术200Journal of Municipal Technology12.500550+5600+71050+1600第41卷2860012.5001600+111050+700+900+700+111050+16001600+71050+5600+55019100图2 双塔斜拉桥方案布置图(cm)Fig.2 Layout of double-tower cable stayed bridge plan为1/5。拱轴线为悬链线,拱轴系数为1.5。主拱为钢箱肋拱,截面为陀螺形,拱顶箱高为3.8 m,拱脚箱高360.7335.7吊杆3.5c
14、m/厚SMA-13高黏高弹沥青粘层5cm超高韧性混凝土(ST)为6.5m;主梁采用正交异向钢桥面板。下承式钢主梁横断面见图3。3.671.42.95050.1503375360.750.7550.75503375100.1002%设计高程150503.5cm厚SMA-13高黏高弹沥青粘层设计高程5cm超高韧性混凝土(STC)L335.7吊杆3806图3下承式钢主梁横断面图(cm)Fig.3 Cross-section of the underpass steel main beam2)方案2:下承式组合梁提篮拱桥。主桥主跨拱轴中心线计算跨径为2 8 6 m,矢高为57.2 m,矢跨比为1/5。
15、拱轴线为悬链线,拱轴系数为1.5。主拱为钢3500系杆箱肋拱,截面为陀螺形,拱顶箱高为5.0 m,拱脚箱高为7.5m;主梁采用组合梁桥面板。下承式组合梁横断面见图4。36.500/2=18250500900中1350010cm厚沥青混凝土2%50025080bOOT32471578图4下承式组合梁横断面图(1/2 非吊杆区标准横断面1:10 0)(cm)Fig.4 Cross section of the underpass combination beam7180038142/2=190711646第8 期3)方案3:双塔三跨双索面钢-混凝土组合梁斜拉桥9。主桥跨径为(12 5+2 8 6+
16、12 5)m,总长度为536m,边中跨比为0.437,主梁采用双边箱开口断125150.50208Fig.5 Cross-section of the steel-concrete combination beam with double towers three spans double cables4)方案4:双塔三跨双索面预应力混凝土梁斜拉桥。主桥跨径为(12 5+2 8 6+12 5)m,总长度为536 m,50200100同612502.3方案比选主桥设计方案比选见表1。从表1可以看出,方案1与方案2 相比,组合梁上部结构质量增大10,进一步要求下部尺寸加大,抗震性能较差,经济性较差
17、,因此采用方案1更优。方案3与方案4相比,组合梁具有以下优点:结构轻巧,可降低基础抗震需求,减小基础规模,同时可降低拉索用量;恒载较轻、安装节段长,施工速度快;钢边梁、横梁、混凝土桥面板可分别预制安装,便于施工,且具有传力可靠的特点1,因此采用方案3更优。方案1与方案3相比,由于斜拉桥一般边孔需设置辅助墩,这样就增加了被船撞的风险,且塔索网组合桥型设计以及施工技术尚不成熟,施工风险较大;同时,组合梁主梁存在混凝土开裂风险以及后期养护维修工作量较大的问题,施工周期较长。此外,斜拉桥与相邻大桥属于同种类型,按照“一桥一景”的要求不宜采用。李乾坤:跨海大桥主桥桥型方案构思与设计研究35501.775
18、150010cm厚沥青混凝土2%522345图5双塔三跨双索面钢-混凝土组合梁横断面图(cm)17751775608100411002%650400图6 双塔三跨双索面预应力混凝土梁横断面图(cm)Fig.6 Cross-section of prestressed concrete beam with double towers three spans double cables201面钢-混凝土组合梁,组合梁采用节段拼装施工工艺。双塔三跨双索面钢-混凝土组合梁横断面见图5。177575.75,150000825边中跨比为0.437,主梁采用双边箱预应力混凝土梁。双塔三跨双索面预应力混凝土梁
19、横断面见图6。355062677550.150,125825345626100411002%775400综上所述,考虑施工工期、耐久性、受力性能、景观要求等各种因素,笔者推荐采用方案1,即主桥跨径为2 8 6 m下承式钢主梁提篮拱桥方案。3拱桥方案结构设计3.1拱桥主梁方案选定主梁采用双边钢箱梁梁式,边箱梁高度为3.2 m,主梁中心线处梁高度为3.58 6 m,梁顶宽度为36.7 m。边箱梁截面形状为平行四边形,边箱宽度为3.2 47 m、高度为3.2 0 0 m,边箱梁顶板厚度为2 4mm、底板厚度为2 4mm,腹板厚度为16 mm。边箱每隔1.5m设1道空腹式与实腹式交替相间的横隔板,拱肋
20、和主梁在拱脚处采取固结方式连接。机动车道部分正交异性钢桥面板厚度为18 mm,采用8 mm厚U形加劲肋。桥面板每隔3m设置1道横梁,为加强纵向传力,设3道通长纵肋。拱桥主梁跨中断面构造见图7。由于钢箱梁施工方便、周期短,整体受力性能、522608100200150066L2508650208市放技术202Journal of Municipal Technology表1主桥设计方案比选Tab.1 Comparison table of the main bridge design schemes设计主桥跨径航道技术特点抗风性能抗震性能方案组合外部静定、内部超静定满足(125+刚性拱、结构的无推
21、通航要286+刚性主梁,1力体系,受力求,通125)m=截面较钝,简单明确,方航条件536m抗风性能优案技术成熟良好可靠外部静定、满足(125+内部超静定通航要286+结构的无推2求,通125)m=力体系,受力航条件536m简单明确,技良好术成熟可靠满足(125+受力简单通航要286+抗风性能构内力大,吊机吊装;主梁混3明确,技术成求,通125)m=中熟可靠航条件536m良好满足(125+受力简单通航要286+抗风性能4明确,技术成求,通125)m=良熟可靠航条件536m良好耐久性能和抗震性能较好,在许多类似工程中得到了广泛应用,因此将双边钢箱梁正交异性钢桥面板作为拱桥主梁推荐方案。3.2拱桥
22、主拱方案选定拱桥主拱采用钢箱矩形截面,双拱肋为提篮形式,布置于桥面两侧竖向平面内。主拱矢高为57.2 m,矢跨比为5。将拱肋截面优化为陀螺形,通过拱肋截面刚性旋转倾斜,形成拱圈横桥向水平倾角为7 8;截面主拱肋高度由根部6.3m渐变至跨中3.8 m;拱肋上半箱为矩形截面,箱宽为3.0 8 6 m,高度从拱脚的4.434m渐变至拱顶的1.9 2 4m;拱肋下半箱为倒梯第41卷施工养护施工方法耐久性景观效果适应性工期/月维修钢箱拱肋需周期和正交异性采用岸边组拼钢桥面,上装拱肋和主梁,部结构轻,然后整体浮运架24定期养护吊杆,更抗震性能良设,最终调整系优,下部基杆和吊杆索力础规模最小采用岸边组拼混凝
23、土桥装拱肋和钢系梁,面和拱肋较刚性拱、然后整体浮运架重,下部结刚性主梁,设,从引桥侧吊装构增大尺寸,25定期养护截面较钝,运输安装预制桥抗震性能较抗风性能优面板,浇筑预留湿差,下部基接缝,最终调整系础规模较大杆和吊杆索力主梁和钢梁浮上部结构运至主桥下,再质量大,结利用浮吊或桥面桩基础承载凝土桥面板采用力需求高,纵、横向分块预基础规模大制,分块吊装,浇筑预留湿接缝上部结构质量较大,结构内力较挂篮悬浇施工大,桩基础32作人员和2 5年进且桥型与相邻混凝土主梁承载力需求较高,基础规模较大建安费/推荐亿元意见采用一跨下吊杆承式提篮拱桥,造型优美、时性更换,吊杆需尚、简洁、突出;采用双与附近桥型有4.7
24、6方案更换明显区别,符换方便,合湛江市一桥耐久性一景的要求,好地标性突出吊杆需周期与附近桥型性更换,吊杆需有明显区别,采用双符合湛江市一4.86吊杆,更方案更换桥一景的要求,换方便,地标性突出耐久性较好需要多斜拉配备斜拉索需要桥型与周围桥管养工在15环境相适应,25作人员和2 5年进且桥型与相邻设备以便行更换,桥型一致,景及时进行耐久性观效果好换索工作较好需要多斜拉配备斜拉索需要桥型与周围桥管养工在15环境相适应,4.27方案设备以便行更换,桥型一致,景及时进行耐久性观效果好换索工作较好形截面,顶宽为3.0 8 6 m、底宽为2.0 9m、高为1.9m。拱桥主拱截面构造见图8。由于钢箱拱桥使用
25、较高抗压强度的钢材,自重较小,架设方便,箱型结构抗扭刚度大,结构整体受力性能以及抗震性能较好,因此将钢箱拱肋作为拱桥主拱推荐方案。3.3拱轴系数选定目前,大跨度拱桥常用的拱轴线形有多段折线、抛物线、悬链线和悬索线12-14,其本质区别在于对应的恒载分布形式不同,导致拱轴系数的取值不同。而拱轴线是否合理,关键看拱肋上的弯矩与轴力之比推荐比较比较4.62方案比较第8 期0023中008N3边箱外腹板J2a00ST李乾坤:跨海大桥主桥桥型方案构思与设计研究36500/2=182503246254500系杆O216800324761736000617.3451546N4HJ1迈箱肉震板H3J4H4J4
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