绍兴则水牌大桥总体设计.pdf

世界桥梁 年第 卷第期(总第 期)W o r l dB r i d g e s,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:浙江省交通运输厅科技计划项目()P r o j e c to fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yP l a no fZ h e j i a n gP r o v i n c i a lD e p a r t m e n to fT r a n s p o r t a t i o n()作者简介:吴巨军(),男,教授级高工,年毕业于同济大学桥梁工程专业,工学学士(E m a i l:q q c o m).D O I:/j i s s n 绍兴则水牌大桥总体设计吴巨军,戴显荣,方睿,郭梦晗,林怡海(浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 ;浙江数智交院科技股份有限公司,浙江 杭州 ;同创工程设计有限公司,浙江 绍兴 )摘要:绍兴则水牌大桥主桥采用跨径布置为()m的独塔斜拉桥,塔墩梁固结.桥塔为由双肢塔柱、上塔头锚固区、后斜杆组成的三角形斜塔结构,其中塔柱采用“田”字形矩形多腔钢混组合结构,钢箱内壁布置P B L加劲肋和焊钉混合型连接件,腔内灌注高性能混凝土;上塔头锚固区连接左右塔柱联合受力,主要承受边跨斜拉索及后斜杆集中力局部作用;后斜杆承担轴向拉力.边跨主梁采用整体式混凝土箱梁,主跨主梁采用分离式钢箱梁,钢混结合面位于主跨距理论分跨线 m处.斜拉索采用标准抗拉强度 MP a高强度低松弛环氧喷涂钢绞线,扇形布置在桥梁中央区域,塔端采用耳板销轴式锚固,梁端采用钢锚箱锚固.该桥桥塔采用分节拼装矩形多腔钢箱、逐节泵送内部高性能混凝土的工业化智能建造方法,边跨混凝土主梁采用现浇施工,主跨钢箱梁采用节段拼装施工.有限元计算结果表明,该桥组合桥塔、主梁、斜拉索受力均满足规范要求.关键词:斜拉桥;矩形多腔钢混组合桥塔;高性能混凝土;混合梁;塔墩梁固结体系;桥梁设计中图分类号:U ;U 文献标志码:A文章编号:()工程概况则水牌大桥位于浙江省绍兴市则水牌路,横跨湘家荡.则水牌地名来源于东汉会稽太守马臻立下的“水则碑”,水则碑是根据季节和农时来控制水位的标尺.桥位处水面宽约 m,流速较小,常年水位变化不大,水深约 m.桥址处上层为粘土,层厚约 m;下层为圆砾,层厚约m;中风化基岩埋藏较深,埋置深度约 m.基于该桥桥址区域丰富的自然景观资源及历史文化,将木工三角尺、测绳等诸多测量元素融入桥梁造型设计中,以表达对地区人文历史的尊重,体现桥梁美学与力学之间的平衡.主桥设计为()m三角形斜塔斜拉桥(见图),塔墩梁固结,桥面全宽 m.斜拉索立面采用扇形布置;桥塔采用由矩形多腔钢混组合结构塔柱、上塔头锚固区、后斜杆组成的三角形斜塔结构;主梁边主跨比为 ,远小于普通独塔斜拉桥边主跨比,为使结构受力平衡,主梁采用钢混混合梁,边跨采用自重较大的整体式混凝土箱梁,主跨采用自重较轻的分离式钢箱梁,钢混结合面位于主跨距理论分跨线 m处.图则水牌大桥主桥立面布置F i g E l e v a t i o nv i e wo fm a i nb r i d g eo fZ e s h u i p a iB r i d g e该桥塔柱、后斜杆与边跨混凝土主梁形成稳固的受力三角体系,塔柱头部强大的主跨斜拉索索力均可通过后斜杆转化为边跨混凝土主梁轴向压力,从而最大程度化解边主跨比例过小导致的结构受力不平衡问题.主要技术标准()道路等级:城市次干路.()设计行车速度:k m/h.()车道数:双向车道.()设计荷载:城A级.绍兴则水牌大桥总体设计吴巨军,戴显荣,方睿,郭梦晗,林怡海()通航净空:m m.()风荷载:B类地表类别,桥梁设计基本风速为 m/s.()地震荷载:地震基本烈度为度;E 地震作用按 年 超越概率考虑,水平峰值加速度 g;E 地震作用按 年超越概率考虑,水平峰值加速度 g.桥梁结构设计 桥塔 总体布置桥塔位于中央分隔带,为三角形斜塔结构,由塔柱、上塔头锚固区、后斜杆三部分组成,桥面以上塔高 m.塔柱为钢混组合结构,由横向分离的双肢塔柱组成,向边跨方向倾斜 ;双肢塔柱从塔梁固结处倾斜向上延伸,底部横向净距 m,顶部横向净距 m,塔柱顶部区域为主跨斜拉索锚固区段,通过上塔头锚固区横向连接.上塔头锚固区采用钢混组合结构,位于桥塔顶部双肢塔柱之间,为边跨提供斜拉索锚固区域.后斜杆采用钢箱结构,上端与上塔头锚固区焊接,向下延伸插入边跨混凝土主梁端部并与之形成整体.桥塔采用群桩基础,由 根 m的C 钻孔灌注桩组成,纵向排,横向列,持力层为中风化凝灰岩.承台采用C 整 体 式 承 台,平 面 尺 寸 为 m m,厚 m.桥塔结构如图所示.塔柱传统的钢筋混凝土桥塔结构刚度大,稳定性好,图桥塔结构F i g P y l o nc o n f i g u r a t i o n建设成本较低;但强度偏低,承载力不高,导致桥塔尺寸偏大,略笨重,且施工需经历逐段钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑、养护等多道工序,施工周期长,现场施工、人工施工比例高,质量易受人为因素干扰.钢桥塔有较高的承载力和结构延性,抗震性能好;但同等尺度下刚度偏小,用于以承压为主的结构显得较为浪费,不能发挥钢结构固有的优势,且稳定问题突出,建设成本也较高,在国内的应用较少.经与钢筋混凝土桥塔、钢桥塔进行结构比选,则水牌大桥桥塔双肢塔柱采用矩形多腔钢混组合结构.单肢塔柱采用由外壁钢板和分隔钢板组成的“田”字形多腔钢箱,腔内灌注C 高性能混凝土.相关试验表明,布置P B L加劲肋和焊钉混合型连接件,极限 受力状态下 外壁钢板表 现为“多波”屈曲失效,优于纯P B L加劲肋的连接方式.因此,塔柱钢板和内部混凝土之间采用纵向、环向P B L加劲肋和焊钉混合型连接件,以保证塔柱连接性能,增强其后期承载力.单肢塔柱横截面如图所示.图单肢塔柱横截面F i g C r o s s s e c t i o no fap y l o nc o l u m n桥面以上塔柱高 m,塔柱顶部控制截面尺寸为 mm mm,塔柱底部控制截面尺寸为 mm mm.塔柱外壁钢板厚 mm,内部分隔钢板厚 mm,均采用Q D低合金高强度结构钢.圆柱头焊钉规格采用d mm mm,P B L加劲肋尺寸采用 mm mm.塔柱内部填充高性能混凝土,其高流动性、自密实、无收缩等优异特性能较好地适应多腔钢箱及其加劲系统,确保核心混凝土密实,与钢壁结合良好.塔柱向下插入桥面混凝土并延伸至主墩墩身,共约m,塔柱外壁布置焊钉,内部纵向P B L加劲肋延伸至塔柱底部外,以增强塔柱和混凝土主梁、主墩墩身的锚固能力.世界桥梁 ,()上塔头锚固区上塔头锚固区位于塔柱顶部区域,横向连接左右塔肢联合受力,同时作为边跨斜拉索的锚固区域及后斜杆的上端连接点,主要承受边跨斜拉索及后斜杆集中力局部作用,受力及构造要求低于塔柱.上塔头锚固区采用“日”字形多腔钢混组合结构,根据造型设计要求,顶部高出塔柱 m,顺桥向尺寸宽出上塔柱 m,顶部截面尺寸为 mm mm,底部截面尺寸为 mm mm.上塔头锚固区横截面如图所示.图上塔头锚固区横截面F i g C r o s s s e c t i o no fu p p e rp y l o nh e a da n c h o r a g ez o n e 后斜杆后斜杆以承担轴向拉力为主,采用全焊单箱单室钢箱截面,腹板厚 mm,顶、底板厚 mm.钢箱截面呈轻微的倒梯形,宽度约 mm,箱高 mm,钢箱内部设置纵向加劲肋,每隔m设置道横隔板.后斜杆顶端与上塔头锚固区腹板、底板分别熔透焊接,底部插入边跨混凝土主梁中央分隔带的实心区域.主梁边跨主梁采用单箱五室混凝土箱梁,梁宽 m、高 m,底板水平,顶板设置双向横坡.主梁对应斜拉索锚固处设置倾斜式横隔板,倾斜角度与斜拉索相同,斜拉索锚固在混凝土主梁底部.边跨混凝土箱梁/标准横截面如图所示.主跨主梁设计为分离式双幅钢箱梁,单幅主梁宽 m、高 m,底板水平,顶板设置单向横坡.标准段钢箱梁顶板、底板、外侧腹板、内侧腹板钢板厚度分别为、mm.内侧腹板主要传递斜拉索拉力,设置 mm mm的板式加劲肋以保证抗屈曲能力.在相邻斜拉索梁上锚固点中间设置钢横梁将两幅桥连为整体,钢横梁采用单箱单室截面,高 mm、宽 mm,顶、底板厚图边跨混凝土箱梁/标准横截面F i g S t a n d a r dc r o s s s e c t i o no fh a l f c o n c r e t eb o xg i r d e r i ns i d e s p a n mm,腹板厚 mm.横隔板标准间距 m,钢横梁对应横隔板厚 mm,斜拉索吊点横隔板厚 mm,普通横隔板厚 mm.主跨单幅钢箱梁标准横截面如图所示.图主跨单幅钢箱梁标准横截面F i g S t a n d a r dc r o s s s e c t i o no f s t e e l b o xg i r d e r i nm a i ns p a n钢混结合部的作用是实现弯矩、剪力、轴力的有效传递.在钢混结合部设置 mm厚承压板作为钢混结构分界面,钢箱梁侧增设T形加劲肋以缓和刚度突变;混凝土梁侧设置钢格室以加强弯矩传递能力,设置P B L剪力键及圆柱头焊钉以加强剪力传递能力,预应力钢束锚固在承压板上以加强界面轴力传递能力.为防止钢格室之间混凝土流动不良,在顶板上开 mm补浆孔.钢混结合细部构造如图所示.斜拉索及锚固体系全桥共设置 对斜拉索,立面呈单索面扇形布置,采用 mm高强度低松弛环氧喷涂钢绞线,标准抗拉强度 MP a.对边跨斜拉索纵向索距m,锚固在中央分隔带混凝土箱梁梁底,桥塔侧无索区长度为 m;对主跨斜拉索纵向索距m,锚固在分离式钢箱内侧腹板钢锚箱上,桥塔侧无 索 区 长 度 m.塔 上 采 用 耳 板 销 轴 式 锚固,梁上张拉端采用冷铸挤压复合锚具.为减小绍兴则水牌大桥总体设计吴巨军,戴显荣,方睿,郭梦晗,林怡海图钢混结合细部构造F i g D e t a i l so f s t e e l c o n c r e t e j o i n t s u r f a c e塔上耳板尺寸,塔上耳板采用Q D高性能Z向钢板,厚 mm,通过高强度螺栓与塔柱腹板连接.按照 钢结构设计标准(G B )验算耳板及销轴的强度,安全系数不小于.结构静力计算目前,我国尚未有钢混组合结构桥塔设计规范.考虑到斜拉桥总体设计的指导思想是桥塔在恒载条件下基本保持平衡,以小偏心受压为主,不出现或者仅出现很小的拉应力,故计算可作如下假定:钢材与混凝土均为理想弹性体,材料本构关系为线性;矩形多腔钢箱与混凝土之间没有相对滑移;截面变形符合平截面假定;受拉区混凝土应力很小,仍在弹性范围工作.基于以上假定,将组合结构中混凝土截面按照刚度等效原则换算为钢材,在此基础上按照单一截面进行结构分析.考虑则水牌大桥构造和普通斜拉桥差异很大:边主跨比很小,主梁采用混合梁结构;边跨、主跨斜拉索布置数量不等;后斜杆的存在对结构内力造成较大影响.故常规的最小弯曲能量法调索思路不适合该桥,作两点修正:首先确保塔柱处于小偏心受压状态,塔柱不出现拉应力;其次适当下调斜拉索整体索力水平,充分利用钢主梁和混凝土主梁自身的刚度和抗弯承载力.采用M I D A SC i v i l软件进行有限元分析,塔柱钢混组合结构采用施工阶段联合截面梁单元模拟.先安装矩形多腔钢箱,后一施工阶段激活内部高性能混凝土,并考虑腔内混凝土收缩、徐变引起的组合结构内力重分布,可查看任意施工阶段钢材和混凝土各自的应力水平.主梁采用梁单元模拟,斜拉索采用桁架单元模拟,塔墩梁固结,考虑恒载、汽车荷载、非机动车荷载、人群荷载、风荷载、温度荷载等设计荷载.主桥空间有限元模型如图所示.施工及运营阶段结构受力分析结果表明,主梁、斜拉索、组合桥塔强度及刚度均满足规范要求.图主桥空间有限元模型F i g S p a t i a l f i n i t e e l e m e n tm o d e l o fm a i nb r i d g e施工方案则水牌大桥所在湘家荡区域水面宽阔,水深不大,通航要求不高.为节省投资,总体施工思路采用支架法,一次落架工艺.主桥施工顺序如下:主墩在双层拉森钢板桩围堰保护下施工,墩身预埋桥塔第节矩形多腔钢箱塔柱,并与主梁号混凝土块一并浇筑,形成塔墩梁固结体系.搭设钢管桩临时墩,在贝雷支架上现浇施工边跨混凝土箱梁,采用大型水上浮吊节段拼装主跨钢箱梁.在少量临时斜撑支架辅助下,采用大型水上浮吊吊装焊接第节矩形多腔钢箱塔柱,泵送塔柱内部高性能混凝土.吊装焊接第节矩形多腔钢箱塔柱及上塔头锚固区,安装后斜杆,然后泵送第节塔柱及上塔头锚固区内部高性能混凝土.桥塔施工完毕后拆除临时斜撑,然后安装斜拉索,斜拉索张拉至该施工阶段平衡状态索力,拆除全部主梁支架.施工桥面铺装及桥面系附属结构,斜拉索张拉至成桥状态设计索力.主桥施工示意如图所示.组合结构桥塔施工充分发挥了工业化智能建造优势,快捷高效,预计该桥桥塔施工仅需 d,相比钢筋混凝土桥塔施工效率更高.结语则水牌大桥首次将矩形多腔钢混组合结构应图主桥施工示意F i g S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no fm a i nb r i d g ec o n s t r u c t i o n世界桥梁 ,()用于桥塔设计,组合结构桥塔能够充分发挥钢材、混凝土种材料的优点,强度、承载力、工业化程度均优于钢筋混凝土桥塔,施工快捷,外表光洁,践行了绿色建造和智慧建造理念,是缆索支承桥梁桥塔的发展方向之一.三角形斜塔开阔了桥塔造型设计思路,是城市景观斜拉桥创新设计的有益实践.主梁采用混合梁结构,能适应边主跨比较小的斜拉桥受力特征,同时降低了工程造价.参考文献(R e f e r e n c e s):赵佳男太原摄乐大桥主桥设计J桥梁建设,():(Z HA OJ i a n a n D e s i g no fM a i nB r i d g eo fS h e l eB r i d g ei nT a i y u a nJB r i d g e C o n s t r u c t i o n,():i nC h i n e s e)徐利平基于桥梁与建筑整体视野下的桥梁美学理论研究J公路,():(XU L i p i n g R e s e a r c h o n B r i d g e A e s t h e t i c s T h e o r yf r o mt h eP e r s p e c t i v eo fB r i d g ea n d A r c h i t e c t u r ea saW h o l eJ H i g h w a y,():i nC h i n e s e)林一宁,蔡巍,姚泽锋混合梁斜拉桥钢混结合段力学性能研究J世界桥梁,():(L I N Y i n i n g,C A I W e i,YA O Z e f e n g S t u d y o fM e c h a n i c a lP e r f o r m a n c eo fS t e e l C o n c r e t eJ o i n tS e c t i o ni n H y b r i d G i r d e r C a b l e S t a y e d B r i d g eJ W o r l dB r i d g e s,():i nC h i n e s e)张合清,刘孝军都香高速金沙江大桥总体设计J桥梁建设,():(Z HAN G H e q i n g,L I U X i a o j u n O v e r a l l D e s i g n o fJ i n s h aR i v e rB r i d g eo n D u y u n S h a n g r i L aE x p r e s s w a yJB r i d g e C o n s t r u c t i o n,():i nC h i n e s e)胡可,王胜斌,王波,等超大跨径柱式塔斜拉桥结构创新与应用J桥梁建设,():(HUK e,WAN G S h e n g b i n,WAN G B o,e t a lI n n o v a t i o n o f S u p e r L o n g S p a n C a b l e S t a y e d B r i d g ew i t hC o l u m n e d P y l o n sa n d E n g i n e e r i n g P r a c t i c eJB r i d g eC o n s t r u c t i o n,():i nC h i n e s e)查道宏,李军堂,胡勇大跨度斜拉桥钢筋混凝土桥塔快速施工技术发展与展望J世界桥梁,():(Z HAD a o h o n g,L I J u n t a n g,HUY o n g D e v e l o p m e n t sa n d P r o s p e c t s o f R a p i d C o n s t r u c t i o n T e c h n i q u e sf o rR e i n f o r c e dC o n c r e t eP y l o n so fL o n g S p a nC a b l e S t a y e dB r i d g eJW o r l dB r i d g e s,():i nC h i n e s e)张喜刚,刘高,高原,等中空型外壁钢板混凝土组合桥 塔 塔 柱 承 载 力 研 究 J土 木 工 程 学 报,():(Z HAN G X i g a n g,L I U G a o,G AO Y u a n,e t a lR e s e a r c ho nt h eB e a r i n gC a p a c i t yo fH o l l o w C o n c r e t e F i l l e d S t e e l E x t e r i o r W 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ht w os p a n so f a n d m T h et r i a n g u l a r i n c l i n e dp y l o nc o n s i s t so fd o u b l e l e gc o l u m n,u p p e rp y l o nh e a da n c h o r a g ez o n ea n dr e a ri n c l i n e ds t r u t T h ep y l o nc o l u m ni sas t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t es t r u c t u r eo fm u l t i c e l lr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n P B Lc o n n e c t o r sa n ds t u d sa r ee m b e d d e di nt h ei n n e rw a l l so f t h es t e e l b o xo f t h ep y l o nc o l u m n,a n dt h es t e e l b o x i s f i l l e dw i t hh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e T h ea n c h o r a g ez o n e i nt h eu p p e rp y l o nh e a ds h a r e sl o a d sw i t ht h el e f ta n dr i g h tp y l o nc o l u m n s,m a i n l y t h e s t a yc a b l e f o r c e s i n t h e s i d e s p a na n dc o n c e n t r a t e d f o r c eo f r e a r i n c l i n e ds t r u t,a n dt h er e a r i n c l i n e ds t r u t c a r r i e s a x i a l f o r c e T h e s u p e r s t r u c t u r e i nt h em a i ns p a nc o n s i s t so f s p l i ts t e e lb o xg i r d e r s,w i t has t e e l c o n c r e t ej o i n ts u r f a c ei nt h em a i ns p a n,mt ot h et h e o r e t i c a ls p a nd i v i s i o nl i n e T h es t a yc a b l e s,a r r a n g e di nf a np l a n e s i nt h ec e n t r a lm e d i a n,a r ef o r m e do fh i g h s t r e n g t h,l o w r e l a x a t i o n,e p o x y c o a t e d s t e e ls t r a n d s w i t h n o m i n a lt e n s i l e s t r e n g t h o f MP a,a n c h o r e dt o t h ep y l o nb y l u gp l a t e s a n d t o t h ed e c kb ys t e e l a n c h o rb o x e s T h em u l t i c e l lr e c t a n g u l a rs t e e lp y l o ns e g m e n t sw e r ei n s t a l l e da n df i l l e d w i t hh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t es e g m e n tb ys e g m e n t T h es i d es p a nw a sc a s t i ns i t u,a n dt h es t e e l b o xg i r d e r s i nt h ec e n t r a l s p a nw e r ea s s e m b l e da tb r i d g es i t e T h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ep y l o n,h y b r i ds u p e r s t r u c t u r ea n ds t a yc a b l e sm e e t t h er e q u i r e m e n t s K e yw o r d s:c a b l e s t a y e db r i d g e;r e c t a n g u l a rm u l t i c e l l s t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t ep y l o n;h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e;h y b r i dg i r d e r;p y l o n p i e r g i r d e r f i x a t i o n;b r i d g ed e s i g n(编辑:赵兴雅)