文章编号:1671-2579(2004)01-0014-03
矮塔斜拉桥的设计与施工
———日本新东明高速公路上的京川桥
金增洪 编译
(中交公路规划设计院,北京市 100010)
摘 要:日本新东明高速公路上的京川桥,位于观光和娱乐区,而且处在地震高发区。
因此,桥梁既要考虑高抗震特性又要考虑美学特性。
该矮塔斜拉桥的悬臂跨度达到96.5m ,已属日本国内此类桥梁中最大者。
此悬臂跨径几乎等效于现有PC 斜拉桥的跨径。
桥墩由高耸的钢管混凝土结构形成的组合桥墩,高56.5m 。
关键词:预应力混凝土;矮塔斜拉桥;斜拉索;预制;组合桥墩 Ξ
1 引言
矮塔斜拉桥是由法国马秀佛特(Mathivat )教授于1988年建议的,称谓超配量体外索PC 桥(Extradosed prestressing concrete bridge )。
这种桥梁是从体外预应力桥发展而来,从应用跨径长度观点来看,矮塔斜拉桥的性态处于PC 箱梁桥和PC 斜拉桥之间。
京川桥跨越日本二级河流,该河为流经日本滨松市和滨北市行政管辖区之间的一条界河。
建桥地点是观光和娱乐区域,还是地震高发区。
因此,既要考虑桥梁的高抗震特性,也要考虑美学设计。
至于矮塔斜拉桥悬臂跨径长度,是日本国内同类桥梁中的最大跨径。
这种悬臂跨径相当于现有PC 斜拉桥的跨径(译者注:指日本国内现有斜拉桥的跨径)。
京川桥的总体布置见图1所示。
图1 京川桥总体布置图(单位:cm )
2 一般概念
京川桥是由三肢桥墩支承的双幅箱梁组成的,而
桥面的长度为268m 。
两主跨各长133m ,由44根间距为6m 的斜拉索支承(每一幅桥面在塔的每一侧各
有2×11根=22根斜拉索)。
塔的高度为20m ,在顶
上安装索鞍。
桥墩总高度为56.5m 。
各墩截面:在基底部位尺寸为9.0m ×7.0m ;在与上部结构联结部位的尺寸为5.0m ×7.0m 。
桥墩和桥塔都选用钢管混凝土新结构。
钢管混凝土组合结构,不仅展示其特有的高延展性和高抗震性能效应,采用螺旋高强钢索箍
14 中
外 公 路 第24卷 第1期
2004年2月
Ξ
收稿日期:2003-03-11
筋,而且也是一种先进的桥墩施工方法。
桥面横向尺寸为19.91m ,满足了三车道每车道宽3.75m 的要求。
采用具有高抗震性能的高阻尼橡胶支座,以减小强大的地震反应。
3 设计
3.1 矮塔斜拉桥的性能
矮塔斜拉桥性能的主要参数是塔的高度和梁的刚度。
这些参数决定了斜拉索应力的变化。
在总体上
PC 箱梁桥、矮塔斜拉桥和PC 斜拉桥的比较见图2。
图2 各种桥型的比较
3.2 桥面梁的横截面
桥面梁是一个双室预应力混凝土箱梁,详见图3所示。
顶板的跨度等于节段的宽度(6m ),在横向对<28.6mm 的非灌浆预应力钢索施加预应力。
考虑到箱梁外侧视图线条的连续性,斜拉索锚固在箱梁的外肋上。
梁的高度由4.0m 变到6.5m 。
顶板厚度300mm ,底板厚度240mm ,这些板到桥墩附近,厚度增大到700mm 。
腹板主要部分厚450mm ,但在支承区域增大到850mm。
图3 桥面梁的横截面(单位:cm )
3.3 索
3.3.1 超配量斜拉索
22根斜拉索安排在两个平面内,每一根斜拉索布
置在塔顶的索鞍中,见图4所示的照片,索的两端锚固在桥面梁的边缘上。
斜拉索由钢索预制后外覆高密度聚乙烯,作为斜拉索施加的预应力为4.2MN 。
矮塔斜拉桥的优点是斜拉索中的应力要比普通斜拉桥的斜拉索中应力变幅量小,因此,其抗疲劳的安全因素较高,比普通斜拉桥用索量经济。
图5示出矮塔斜拉桥和普通斜拉桥斜拉索中应力变化的比较。
京川桥的最大应力变化约小于50MPa ,而其他普通斜拉桥斜拉索中应力变化约超过100MPa 。
其中β是索中竖
向承载力与总恒载承载力之比,而且Δσ是车辆荷载的最大应力变化。
图4
拉索的索鞍和锚具
图5 矮塔斜拉桥与普通斜拉桥斜拉索中应力变化比较
3.3.2 斜拉索的锚固设计
要求锚固部分一旦发生局部弯矩和剪力时,应具有足够的抵抗力。
从斜拉索对梁提供的预应力也是比较平稳的。
通过三维有限元分析,估算出关键部位的应力,在混凝土中的拉应力指标小于3MPa ,钢筋中的应力小于10MPa 。
按照有限元分析,斜拉索锚固部分在横向和竖向用PC 索加强,此外加劲肋板的厚度定
为600mm 。
详见图6所示。
3.4 桥墩的抗震设计
阪神地震后,传统的空心钢筋混凝土高墩,由于地震设计提高了设计标准,故需要大量加固。
因此施工
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11期 矮塔斜拉桥的设计与施工
费用和施工周期变成一个严峻的课题。
图7展示的钢管混凝土组合桥墩不仅具有延性钢管的高抗震效应和螺旋高强钢索箍筋,而且还具有先进的施工方法。
图6 用预应力索在锚固区加强(单位:mm
)
图7 钢管混凝土组合桥墩
新的组合结构桥墩具有以下特征:①组合结构由
单独的钢筋笼和内部的大钢管组成;②内部钢管和高强度螺旋钢索箍筋提供了高剪切强度;③由钢管和螺旋钢索箍筋提供高效的延展性;④围绕钢管周边的混凝土保护钢管不致发生曲屈,当外围的钢筋笼处在极限状态发生曲屈时,也不致发生倒塌;⑤简洁的截面要比传统的空心截面更便于施工。
通过三维非线性动力分析研究,组合桥墩足以抗御较大地震。
4 施工
4.1 组合高墩的施工4.1.1 钢管的安装
每一个桥墩使用了6根直径为1500mm 的钢管,
作为抗剪切的加强箍筋采用高强度、直径为12.7mm 的钢丝索。
钢管安装的连续高度为56m 。
4.1.2 混凝土浇筑
在钢管安装完成以后,安装大尺寸模板,而后浇筑混凝土,每浇筑5m 高度后提升一次模板。
4.2 斜拉索的安装
预制斜拉索属非灌浆型索,这种索既能加速安装又具备较高质量。
预制索是由27根以聚乙烯覆盖的、直径为15.2mm 的单索股绞拧成索后,再用高密度聚乙烯包套套上,形成双层抗腐蚀保护。
从美学设计考虑,套的外表面染成浅蓝色。
缆索的安装由以下步骤实现(详见图8所示)
:
图8 斜拉索的安装
1)在桥面上从缆索的卷盘上展开缆索;
2)用卷扬机通过导引钢丝绳拽拉缆索通过索鞍;3)在两端的桥面上安装锚具;
4)一次用4台千斤顶同时张拉,避免因不平衡引
起的加载。
4.3 梁的施工
梁用3m 长的混凝土节段通过自由悬臂平衡安装施工,每6m 长装配一次斜拉索,最大的悬臂长度为96.5m ,总共具有31个节段(详见图8所示)。
5 结论
本文阐述了矮塔斜拉桥的结构设计和抗震设计以及通过预制斜拉索的自由悬臂施工方法。
从矮塔斜拉桥的跨径长度使用观点来看,在经济上处于箱梁桥和斜拉桥的中间。
矮塔斜拉桥的优化跨径可达150～200m 。
如在组合梁的情况下,这一优化跨径可以扩展到约300m 。
———编译自Design and C onstruction of Extradosed Bridge
-Miyakodagawa Bridge -in the New T omei Express 2way ,T.K ato etc.IABSE C onference on Cable -Sup 2ported Bridges.June 2001,Seoul K orea.
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