主航道斜张-悬索桥方案探讨

   2005-11-13 10230
核心提示:摘要:在便航式跨海浮桥方案中,采用大跨径桥梁作主航道桥梁,以解决通航问题,仍是一种好方案。采用主通航孔跨径1500米的桥梁,只适合采用
 摘要:在<<便航式跨海浮桥>>方案中,采用大跨径桥梁作主航道桥梁,以解决通航问题,仍是一种好方案。采用主通航孔跨径1500米的桥梁,只适合采用悬索桥形式。在海中作大跨径悬索桥,锚碇的困难很大,应考虑采用斜张桥和悬索桥相结合的复合形式。本文对斜张桥和悬索桥复合形式的结构原理、计算、防护和365JT施工作方案探讨。

关键词:斜张桥  悬索桥  钢管砼  复合钢管砼 

 

一、主航道桥方案

我国海南岛琼州海峡的海水深度较大,单纯采用桥梁和隧道形式的困难都很大。采用设主、付通航孔的<<便航式跨海浮桥>>方案,主、付通航孔采用大跨径桥梁的形式,以解决通航问题,也是很实用的方案。主通航孔桥梁的设置位置,在满足航道要求以后,应该尽量靠近岸边,以便将水中的锚碇设在较浅的水中,可以减小施工难度。主通航孔桥梁的跨径拟采用1500米,只适合采用悬索桥方案,边孔的跨径拟采用400米。为减小锚碇的体积和施工难度,悬索桥采用斜张桥与悬索桥相结合的复合形式,以减小悬索拉力。即在主孔两边400米采用与边孔相平衡的斜张桥,跨中700米为悬索承载的悬索桥。悬索桥在斜张桥段采用空载索段的形式,笔者在西藏达孜大桥上已采用过,经验证明是可行的。由于斜张桥承担了800米桥长的重量,悬索桥只承担700米桥长的重量,悬索内力和锚碇的重量都将成倍的减小。使1500米特大跨径的施工能实现,尤其是减小海中锚碇的重量和施工难度。但是内力作功的路程长,悬索的材料并不能节省,斜张桥需要另用材料。

二、构造

1、加劲梁

加劲梁采用钢桁架,桁架梁的高度大,抗弯刚度大,有利于抗活载变形和抗台风稳定。斜张桥的斜拉索和悬索桥的吊杆可采用较大的间距,以减少斜拉索和吊杆的数量,便于适应斜张桥与悬索桥相互衔接段变形协调的需要。钢桁架的通风效果较好,抗风稳定性好。现代的栓焊钢桁架梁形体简洁美观,养护比较方便,使用经验成熟。采用管式钢桁架也很适合,

杆件的园形截面受力稳定性好,对风有失阻效应的稳定作用,节点采用复合钢管砼,加工简便,可外包钢丝网水泥砂浆实现长效防护。钢丝网水泥砂浆的防裂性能好,水泥船的成功应用即先例,是钢铁锈蚀防护的简便和实用措施。悬索桥区段采用空钢管桁架结构,斜张桥区段采用钢管砼和复合钢管砼桁架结构,而腹杆和水平风构采用空钢管。钢管桁架的刚度加强方便,可以采用钢管砼、双管下弦杆和管内加设预应力筋的方法

2、横梁桁架

宽桥的横梁支承间距大,适合采用高度大的钢桁架,桁架刚度大,自重较轻,能够满足承受重大活载的需要,施工简便。横梁桁架的上弦杆和桥面厚度范围采用复合钢管砼,即现浇钢筋砼作正交异性钢桥面板的湿接头,加强桥面板与横梁上弦杆的结合和整体性,有利于加强上弦杆受压,横梁上弦杆可避免桥面板的剪力滞后,桥面板整体受力性能好。横梁桁架变形小,能够提高正交异性钢桥面板的刚度,有利于桥面钢板与沥青砼的结合,保证沥青砼桥面的使用寿命。而下弦杆和腹杆采用空钢管结构,便于下弦杆内布设无粘结预应力筋,并采用外包钢丝网水泥砂浆作长效防护。

3、桥面板

钢桥面钢板厚度采用δ=14mm,加大正交异性钢桥面板的刚度,保证沥青砼桥面的结合,提高沥青砼桥面的使用寿命。正交异性钢桥面板采用倒梯形空腹肋加劲,肋板厚度采用δ=8mm,采用锯齿形切割下料和加工,可减小桥面用钢量。倒梯形空腹肋底板之间,再采用厚度δ=6mm钢板作焊接封闭,形成闭合箱形,以解决箱内的防护问题,底板外方便采用钢丝网水泥砂浆作长效防护。封闭箱形的正交异性钢桥面板,刚度已大为加强,透风效果好。桥面板应与加劲桁架上弦杆结合为整体,形成板桁结构,提高加劲桁架的刚度,以平衡斜拉索对加劲桁架的巨大水平压力。斜张桥的桥面板外侧8宽度内按需要充填砼,空腹肋灌注砼方便,形成钢骨砼结构,以增加抗压能力,便于与加劲梁桁架上弦杆结合为整体。桥面板分节段加工和安装,在横梁上弦杆上作现浇钢筋砼接头,焊联桥面钢板,施工简便。

4、风构

    桥面板与加劲桁架相结合,起到上部水平风构的作用,横向刚度很大。下部水平风构采用X形空钢管结构,可采用钢丝网水泥砂浆作长效防护,施工简便。

5、节点:

节点都按复合钢管砼结构处理,即钢管作相贯焊接,相互间焊加劲肋板加强,按节点板的大小和形式加强钢筋配置,再浇灌节点内(钢管接头)、外(节点板)砼。桁架节点为复合钢管砼结构,节点刚度大,韧性很好,同样能起到钢节点板的作用。

6、吊点牛腿:

    在加劲桁架外侧设牛腿作吊点,横梁桁架上弦杆钢管在加劲桁架上弦杆钢管之下,可利用外伸横梁桁架上弦杆钢管作牛腿,再在加劲桁架上弦杆钢管上加焊钢管加强牛腿,两钢管焊加劲肋板和钢筋加强,钢管内外形成复合钢管砼牛腿。具有足够大的抗弯、剪刚度,构造简单,联结可靠,施工简便,对斜张桥和悬索桥的锚联都方便。

7、塔架

主航道桥的跨径很大,又为斜张桥和悬索桥的结合形式,塔架要受斜张桥弯矩的影响。塔架高达300,施工的难度很大。采用复合钢管砼塔架,钢管和钢管砼作为劲性骨架使用,对高塔架的施工较方便。复合钢管砼具有钢和砼两种材料的特点,强度较高,韧性很好,

抗震性好,安全可靠。将钢管砼的钢管紧箍力作用作分离计算以后,复合钢管砼的计算已能采用组合叠加方法解决,实际是一种特殊形式的钢骨砼。塔架顺桥方向的立面形式为复式“A”字形刚架,下部为双柱形式,顶部为箱形塔柱。塔架各部分别采用矩形、箱形和异形截面的形式,高塔利用劲性骨架作爬升平台施工很方便。采用在水平的复合钢管砼杆件内加

预应力,以平衡两边斜拉索的水平分力。刚架的复合钢管砼水平横撑仅设中部,以便斜拉索张拉锚固,两侧空间留作升、降通道,同样起到箱形塔柱的作用。塔架的稳定和抗弯、扭刚度都大,也能提高面梁的抗弯刚度。斜拉索和悬索索面布置呈外张形式,对桥面横向稳定有利。塔架横桥方向的立面形式为“门”字形刚架或钢管桁架,横向联接都设在塔柱上,空间抗扭刚度较大。塔柱的横向宽度和刚度很大,抗风稳定性好,采用复合钢管砼和钢管砼骨架施工都较方便。斜张桥对塔架具有平衡稳定的作用,塔架虽然很高,但是稳定性能很好。

8、塔架和锚碇基础

   由于主航道桥的跨径很大,塔架和锚碇基础的内力巨大。深水中的塔架和锚碇基础体积很大,适合采用大型的钢沉箱基础开挖下沉和堆石灌浆365JT技术施工,方法安全可靠。陆地上锚碇的施工条件好,采用明挖施工很方便。塔架也可采用桩基础,只是桩基的数量较多,可作经济比较来选择。基础的具体365JT设计,需要由实际的地质情况而定。

9、主缆防护

   悬索桥的主缆防护很重要,是保证大桥安全的关键。现在传统采用的主缆防护方法还不够完善,主缆仍然需要经常维护。采用不锈钢板组合导管复合防护,施工方法简便,价格比较合理,能够实现长效的防护。斜拉索和吊杆也可以采用不锈钢板组合导管复合防护,使缆索系统经久耐用。

10、桩基施工

        在浅海中采用大直径桩基础也很适合,需要由实际的地质情况而定。

三、计算

1、  基本资料:

计算跨径L=1500m   垂跨比F/L=1/6 1/8   桥面单幅净宽16m    悬索线形:二次抛物线

汽车-20        挂车-120         升温Δt=30ºC

2、  计算方法和模式:

采用单片桁架和单索面作建模,考虑活载的偏心影响作用,利用平面杆系程序作计算。对悬索、吊杆和斜拉索单元,作应力刚化处理。

斜张桥和悬索桥相结合的结构形式,采取结构措施是可行的。但是,两种桥型的刚度特性相差较大,加上桥梁的跨径很大,结构单元很多,整体统一计算有一定难度。斜张桥和悬索桥都能独立成桥,只是相互联结以后的配合问题不清晰,需要分析清楚,并采取适当的结构措施,以保证桥梁的安全。斜张桥为稳定的三角形,桥面变形挠度很小,但不能过多的超载。悬索桥为柔索承载,是结构可变形体系,柔索的变形挠度较大,桥面变形由加劲桁架承受、传递和改善。当悬索的安全度满足要求时,它可以承受更大的载。斜张桥和悬索桥相结合时,加劲桁架将传递其相互影响。斜张桥的变形挠度很小,它可以帮助悬索桥端部减小变形。但是,大跨径斜张桥拉索的非线性变形明显,它的变形挠度也较大,桥面刚度是比较柔性的。悬索桥的承载能力大,它可以帮助斜张桥承受部分载。大跨径悬索桥的主索拉力很大,张力的抗重力刚度也大,可以减小变形挠度。根据两种桥型的互助性能,它们的刚度变化,变形挠度不协调和可能协调的两面性,能够加以协调利用,可以保证桥梁的安全。采取的具体作法有两条,一是采用刚度较大的加劲桁架,二是将悬索桥的吊杆插入到斜张桥内一定的长度,使用悬索帮助斜张桥承载,即加大悬索的承载能力,保证二者都安全。两种桥型的结合使用,不必要绝对的明确,采用增加结构的安全度也是实用的方法。著名的布鲁克宁大桥至今已使用100多年,它加的许多斜拉索,在当时是无法计算清楚的,但是对大桥的稳定和安全都起到了保证作用。

对斜张桥和悬索桥分别单独计算,并将塔架也分别纳入一并计算,可以看出两种桥型对塔架的影响程度。采用有限单元建模时,斜张桥按其实际桥长考虑,悬索桥按插入斜张桥内的吊杆位置作桥长计算。悬索桥设计采用的计算内力,实际比采用吊杆不插入斜张桥时的计算内力大,以此来保证两种桥型协同承载的绝对安全。

3、  桥型建模:

斜张桥:

加劲桁架简化为单一的梁单元,单元刚度按轴压力大小划分为钢管、钢管砼和复合钢管砼三种类型,为桁架和桥面板组成的板桁结构,砼按其与钢的弹性模量比值换算为统一的钢材计算。

②塔架简化为单一的柱单元计算,将横撑简化为集中力加载

③桥面和横梁简化为集中力加载。

④斜拉索间距为12m,按扇形布置。

⑤桥面梁的外部边界条件端部起点为简支活动支座另一端为连续梁状态。

⑥斜拉索单元按铰接节点处理,梁单元按刚接节点处理。

⑦已经考虑钢丝网水泥砂浆作长效防护和桥面沥青砼的重量。

⑧可以在起点边跨加设锚墩以增加斜张桥的稳定性和方便施工。

⑵悬索桥:

加劲桁架简化为单一的梁单元,为钢管桁架和钢桥面板组成的板桁结构。

②塔架按刚架杆件单元计算,将横撑简化为集中力加载

③桥面和横梁简化为集中力加载。

④吊杆间距为12m,插入斜张桥部分间距为24m

⑤已经考虑钢丝网水泥砂浆作长效防护和桥面沥青砼的重量。

⑥桥面的外部边界条件,端部为实际的连续梁状态。

加劲桁架考虑了插入斜张桥部分的长度。

⑧索单元按铰接节点处理,梁单元按刚接节点处理。

加劲桁架的长度,作了计入斜张桥部分长度和不计入斜张桥部分长度的比较计算。

⑩对插入斜张桥部分长度的吊杆集中力加载可以按分级渐增的变化方式处理达到既实现悬索空载索段的限位目的又减少对斜张桥内力的过多影响。

四、计算结果:

1、  斜张桥:尚未调整索力。

⑴塔柱:塔底N=-816197KN.m         M=-413677 KN.m

⑵加劲梁:塔架根部Nmax=-146435KN        Q=8746KN         M>-968511KN.m

中部N=-91126KN.m        Q=-674KN         M=-607882KN.m

端部Nmin=-5253KN        Q=3640KN         M=795666KN.m

⑶斜拉索:Fmin=6003KN         F=10015KN        Fmax=20549KN

⑷挠度:δ=3.5cm

2、  悬索桥:按垂跨比1/61/8作对比计算刮弧内为垂跨比1/8计算结果。

⑴塔柱:塔顶N=-171743KN (204433KN)     

⑵悬索:Tmax=202312KN(287240KN)           H=184784KN(273557KN)

⑶加劲梁:Mmin=-35912KN.m(35912N.m)     Mmax=-940340KN.m(888006 KN.m)

⑷吊杆:Fmin=2084KN(2138KN)               Fmax=8609KN(22230KN)

⑸挠度:δ=54.6cm

五、截面强度:

1、斜张桥:

⑴塔柱:塔底N=--816197KN.m         M=-413677 KN.m        未计入风力影响

塔柱底承载强度:按复合钢管砼计算即按各自的材料强度和安全系数并作强度叠加组合。  采用16Mn钢管6Ø1000x12   As=372.5cm²   Ac=7481.5cm²   Asc=7854 cm²   fs=315mpa    fc=23.5mpa   Ra=28.5mpa   双肢柱距离h=37m  

N1=N/2+M/h=816197/2+413677/37=419279KN

N2=N/2-M/h=816197/2-413677/37=396918KN

钢管砼短柱强度No= fs As+ fc Ac+ Ac fs(1.2/48.8)=(315*372.5+23.5*7481.5+ 7481.5*315*

0.0246)/10=35113 KN

单肢复合钢管砼强度:未计配筋强度

N= 6No+(1/rc)*(Agc-6Asc)*Ra/10=6*35113+(1/1.25)*(300*600-6*7854)*28.5/10=513635 KN>

   N1=419279KN

⑵加劲梁:索力未调整弯矩值偏大仅考查其抗压承载能力。

塔架根部Nmax=-146435KN        Q=8746KN        M>-968511KN.m

桥面梁平均抗压强度:按复合钢管砼计算即按各自的材料强度和安全系数并作强度叠加组合。采用16Mn钢管2Ø600x12  As=222cm²   Ac=2606cm²  Asc=2827 cm²   fs=315mpa  

fc=23.5mpa   Ra=28.5mpa    Rg=345mpa    Agc=26400cm²     Ag=1920cm²

单根钢管砼短柱强度No= fs As+ fc Ac+ Ac fs(1.2/28.8)=(315*222+23.5*2606+2606*315* 0.0417)/10=16540KN

复合钢管砼强度N=2 No+(1/rc)RaAgc+(1/rs)RgAg =2*16540+[(1/1.25)*26400*28.5+(1/1.25)*

                  1920*345]/10=146264 KN ≈Nj=-146435KN 考虑8m桥面板宽度浇灌砼

中部N=-91126KN.m        Q=-674KN         M=-607882KN.m

桥面梁平均抗压强度:Agc=16500cm²     Ag=1200cm²

复合钢管砼强度N=2 No+(1/rc)RaAgc+(1/rs)RgAg =2*16540+[(1/1.25)*16500*28.5+(1/1.25)*

                  1200*345]/10=103820KN>Nj=-91126KN  考虑5m桥面板宽度浇灌砼

端部Nmin=-5253KN        Q=3640KN         M=795666KN.m

桥面梁平均抗压强度:按钢结构计算桥面板取5m宽度

As=444cm²     Ag=1200cm²      σ=210mpa

N=σ(As+ Ag)=210*(444+1200)/10=34524KN>Nj=-5253KN

⑶斜拉索:Fmin=6003KN    F=10015KN    Fmax=20549KN    调整索力情况而定。

2、悬索桥:按垂跨比1/61/8作对比计算刮弧内为垂跨比1/8计算结果。

⑴塔柱:塔顶N=-179521KN(-204433KN)

按复合钢管砼计算即各自的材料强度和安全系数并作强度叠加组合。采用16Mn钢管2Ø400x8  As=98.5cm²  Ac=1158cm²  Asc=1257cm²   fs=315mpa   fc=23.5mpa   Ra=28.5mpa     Agc=95544cm²     配筋未计

单根钢管砼短柱强度No= fs As+ fc Ac+ Ac fs(0.8/19.2)=(315*98.5+23.5*1158+1158*315*

0.0417) /10=7345KN

复合钢管砼强度N=8 No+(1/rc)RaAgc=8*7345+(1/1.25)*95544*28.5/10=276600KN> Nj

=(-204433KN)                

⑵悬索:采用1/61/8两种垂跨比分别计算作对比显然前者的水平拉力小88516KN采用复合钢管砼增加塔高好解决,对于锚碇施工条件困难的意义重大。

Tmax=202312KN(287240KN)      Hmax=184784KN(273300KN)

⑶加劲梁:采用分节段饺接安装桥面调整定型以后再作焊接处理以便与斜张桥协调和衔接消除梁安装引起的恒载内力使吊杆内力均匀。加劲梁可以采用钢管砼、双管下弦杆和管内加设预应力筋的方法,对桁架的刚度进行加强较方便。

Mmin=-35912KN.m(35912N.m)     Mmax=-940340KN.m(888006 KN.m)

⑷吊杆:因为加劲桁架的刚度大,其变形导致吊杆受力不均匀也有吊杆退出工作的现象发生。Fmin=2386KN(22230 KN)       Fmax=8609KN(2331 KN)    

⑸挠度:δ=54cm

六、结束语:

1、斜张桥和悬索桥相结合的结构形式,采取结构措施是可以实现的,充分发挥出其特点和大跨径的优势,施工难度减小,也安全可靠,较为经济实用。

2、悬索拉力的大小由垂度决定,1/6垂跨比的拉力较小,可以减小锚碇体积和施工困难,更适合于跨海悬索桥。具有空载索段的悬索拉力,为桥面长度与跨径所佔比值的大小。

3采用封闭箱形的正交异钢桥面板,刚度加大,透风效果好,用材合理,加工简便,便于作长效防护。可按需要添充砼,并与加劲桁架和横梁桁架的上弦杆相组合形成板桁结构。

4、采用钢管加劲桁架与复合钢管砼技术相结合,便于钢管、钢管砼和复合钢管砼结构的形成变化,加工简便,便于作长效防护,并与桥面板相组合形成板桁结构。

5、采用复合钢管砼作塔架,结构强度较高,材料韧性好,抗震和抗风性能好,施工较方便,比单纯的钢和钢筋砼塔架更经济合理。

6、采用在桥面中央分隔带设透风气隙,有利于桥面上下的气压平衡。加劲桁架刚大,透风性能较好,都有利于抗风稳定。平板形式的桥面,对气流的扰动小,也有利于抗风稳定。斜张桥为稳定的三角形结构,抗风稳定性能也好,可起到明显的作用。将悬索在跨中加设较强的斜倾吊杆与加劲桁架连接,有利于消除桥面的反对称振动。

7、采用复合钢管砼和钢丝网水泥砂浆实现长效防护,解决了节点的加强和钢铁防锈蚀难题,增加的重量很有限,仍是经济合理的。

8、作为解决通航问题,能采用大跨径桥梁更好,因为桥梁的管理和行车条件好于隧道,不需要通风、照明、监控和防火设施。本方案的设计和施工新思路,有助于<<便航式跨海浮桥>>方案的顺利解决。

 
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