第36卷,第2期2011年4月公路工程H ighway Engi n eeringV o.l 36,N o .2Apr.,2011[收稿日期]2011 02 07[作者简介]程丽娟(1979 ),女,江苏灌南人,工程师,主要从事桥梁设计及相关理论研究。

澧水大跨度悬索桥结构设计及受力分析程丽娟,李 瑜,朱朝银(湖南省交通规划勘察设计院,湖南长沙 410008)[摘 要]澧水大桥为张家界至花垣高速公路上的一座特大型桥梁,主桥采用单跨简支钢桁架悬索桥,主缆跨径布置为(200+856+190)m 。

文章对澧水大桥桥型方案、矢跨比、主梁和锚碇结构形式的构思进行说明,并对主要构件的设计细节及结构计算作了详细阐述,为大跨度悬索桥的设计及计算提供参考。

[关键词]大跨度悬索桥;钢桁梁;结构设计;受力分析[中图分类号]U 448.2[文献标识码]B [文章编号]1674 0610(2011)02 0111 04Struct uralDesign and M echanical Analysis of Long -SpanLis hui Suspensi on BridgeCHENG L ij uan ,L I Yu ,ZHU Chaoy i n g(H unan Prov i n cial C o mm unication Planning ;Survey &Desi g n I nstitute ;Changsha ,H unan 410008,Ch i n a)[K ey w ords]g reat span suspensi o n bri d ge ;steel tr uss g ir der ;struct u ra l desi g n ;m echan ica l analy -sis1 澧水大桥概况澧水大桥为张家界至花垣高速公路上的一座特大型桥梁,桥位地处张家界永定区与湘西自治州永顺县的交界处,横跨澧水河峡谷,谷顶宽约420m,谷底宽约50m,谷顶与谷底高差达280m 左右。

澧水河两岸均为溶蚀和侵蚀构造成因的岩溶峡谷,地质条件非常复杂。

经多个桥型方案的比选,主桥选用了主跨856m 的单跨钢桁架悬索桥方案,主缆的跨径布置为(200+856+190)m 。

主桥立面布置如图1所示。

桥上线路等级为公路 级,设计行车速度80km /h 。

桥面全宽24.5m 。

设计基准风速为33.5图1 澧水大桥立面图(单位:c m )m /s ,桥位处地震基本烈度为 度。

2 澧水大桥总体构思2.1 桥型方案的选择根据地形条件,单纯从减小跨度节省投资的角度出发,桥位处 V 型河谷的地形是较适宜修筑拱桥的,但结合两岸的地质情况,花垣岸岩体为近顺向坡,坡体中分布的裂隙与岩层层面组合形成不稳定公路工程36卷体,且岸坡岩体已发生变形。

若要修筑拱桥,必须对花垣岸不稳定岩体进行处治。

本着安全的原则,重要工程结构物对于潜在的安全隐患或不良条件首先应考虑避开,然后才是处治。

对于澧水大桥,即使要对花垣岸河谷顶部的危岩体进行加固处理,也存在极大的难度。

一是危岩体厚度、深度均较大,采用锚索加固工程量巨大;二是危岩体陡立,施工困难,且对河谷下的茅岩河漂流影响较大,可能需要中断漂流,而茅岩河漂流是张家界的主要旅游项目,是张家界市旅游收入的重要来源;三是对于这种需要承受数万吨外部荷载的大规模危岩体的加固效果无法评估。

因此,采用拱桥方案基本不可行。

通过对斜拉桥以及悬索桥的定性比较,采用悬索桥具有造型美观、跨越能力强的优点,并且可以避开岩溶发育区及危岩体等不良地质条件。

若采用斜拉桥方案,由于设计高程较低,在花垣岸,斜拉桥的边跨已经切入了路基,既不经济也不美观。

因此最终选定了悬索桥方案。

2.2 主缆矢跨比地锚式悬索桥矢跨比较小,一般为1/9~1/12,以降低塔高、增大主缆拉力,获得较大的整体刚度[1-3]。

由于澧水大桥花垣岸路线位于R=510m 的圆曲线内,为避免主缆锚固时与路线冲突,主缆边跨侧不宜过长。

设计时分别采用1/9、1/9.5、1/10三种矢跨比进行对比计算,最终选用1/10的主缆矢跨比,取得较好的受力性能及经济指标。

2.3 主梁结构形式大跨度悬索桥主梁的结构形式主要有钢桁梁和钢箱梁[4,5]。

钢箱梁抗风性能好、用钢量较少,近年来在我国应用比较多。

澧水大桥地处山区,公路运输条件受限,且桥位处不通航,因此钢箱梁节段无法运输就位。

钢桁梁构件较小,拼装方便,在设计中得到应用。

2.4 桥面系形式钢桁加劲梁桥面系主要有正交异性钢桥面板和混凝土桥面板两种形式[6-8],设计中从受力性能、工程造价等方面对桥面系采用正交异性钢桥面板及纵向工字梁与混凝土桥面板的钢-混组合结构形式进行分析比较。

钢-混组合桥面系结构变位小、工程造价略低,设计时得到运用[9-10]。

2.5 锚碇根据地形地质条件,澧水大桥张家界岸岩溶发育,岩石完整性较差,花垣岸岩石完整性较好。

在设计时考虑重力式锚碇方案,同时也对花垣岸采用隧道锚方案进行对比。

隧道锚利用岩体的强度对混凝土锚体形成嵌固作用,适用于岩体完整的情况。

工程地质勘察揭示,花垣岸锚碇处岩体呈层状构造,且在某些位置溶蚀裂隙较发育,有多处溶蚀粗糙面。

因此,澧水大桥两岸均采用重力式锚碇方案。

2.6 主梁施工方案主要杆件、节点在工厂加工完成并在工厂将加劲桁架立体组装之后,拆分成杆件、节点运到施工现场。

在张家界岸桥塔附近主缆下方布置组拼装场地,在预拼装胎架上,主桁架按每三个节段一次拼装作业进行拼装。

安装缆索吊装系统,按照由跨中向两侧索塔推进的顺序吊装梁段并进行临时连接,桥塔侧端部梁段采用荡移法进行安装。

进行桥面系恒载等代荷载的压重施工,完成拼装段之间刚接。

撤去等代荷载,施工桥面系及附属工程。

3 桥梁结构设计3.1 主梁设计钢桁加劲梁由主桁架、主横桁架、上下平联及抗风上稳定板组成。

主桁架为带竖腹杆的华伦式结构,由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成。

上弦杆、下弦杆采用箱形截面,除支座处腹杆采用箱型断面外其余均采用工字型截面。

主桁桁高6.5m,桁宽28m,标准节间长度6m。

一个标准节段长度12.0m,由2个节间组成,在每节间处设置一道主横桁架。

主横桁架采用单层桁架结构,由上、下横梁及竖、直腹杆组成,其中上下横梁采用箱形截面,腹杆均采用工字型截面。

上、下平联均采用K形体系、箱型截面。

根据风洞试验结果,在桥面系以上和桥面系以下分别布置上、下纵向抗风稳定板。

上抗风稳定钢板高860mm,与两道内侧防撞栏杆结合在一起,下抗风稳定板与主横桁架相连,由高1000mm带纵向加劲肋的钢板组成。

因大桥位于0.9%的单向纵坡上,为适当增强结构纵向刚度,控制主桁架的纵向变位,同时降低跨中短吊索的疲劳应力幅,在每根主缆跨中设3根柔性中央扣。

主梁标准断面见图2。

3.2 缆索系统主缆采用1/10的矢跨比,其跨径布置为(200+ 856+190)m。

主缆共2根,从张家界岸锚碇至花垣岸索塔处,横桥向间距28.0m;由于花垣岸锚碇已进入道路平曲线区,为适应线路的变化,避免主缆锚固时与路线冲突,从花垣岸索塔至花垣岸锚碇处主缆中心距由28.0m变为38.0m,主缆在水平面上112第2期程丽娟,等:澧水大跨度悬索桥结构设计及受力分析图2 主梁标准断面(单位:c m)的转角为1.5074 。

单根主缆中有127根通长索股,两岸边跨因缆力较大另加设4根索股(背索)在主索鞍上锚固。

单根索股由127根 5.15mm高强镀锌平行钢丝组成。

主缆在架设时竖向排列成尖顶的近似正六边形,紧缆后主缆为圆形,索夹内空隙率17%,索夹外空隙率19%。

主缆采用预制平行钢丝索股逐根架设的施工方法(PP W S法)。

根据吊索受力特点,并综合考虑材料性能、制造加工、安装维护、后期更换等因素,采用钢丝绳吊索,每侧吊点设2根,与钢桁架采用销铰式连接。

吊索中心距12.0m,端吊索至桥塔的距离为20.0m。

吊索采用高强镀锌钢丝互捻而成,结构形式为8 41S W+I W R,钢丝绳公称抗拉强度1870MPa,同一吊点的吊索捻向相反。

端吊索因拉力较大采用公称直径64mm的钢丝绳,其余吊索采用公称直径56 mm的钢丝绳。

吊索两端锚头采用叉形热铸锚,锚头由锚杯与叉形耳板构成。

锚杯口设有氯丁橡胶缓冲器,以改善吊索的弯折疲劳性能。

对于悬吊长度大于20m的吊索,在悬吊长度中央设置减振架,以将一个吊点的吊索互相联系,减少吊索的风致振动。

索夹共4大类: 连接主缆与吊索的吊索索夹; 用于主缆定型的紧箍索夹; 主索鞍及锚碇出口处防护密封的封闭索夹; 中央扣索夹。

吊索索夹由于吊索拉力及主缆倾角不同,所需夹紧力不同,索夹长度和螺杆数量均不相同。

为便于制造和施工,将相近长度的索夹并为8类。

中央扣索夹壁厚45mm,其余索夹壁厚采用35mm。

每个吊索索夹设两个承索槽,索槽设计张角 3.5 。

索夹采用铸钢铸造,左右对合型,两半索夹用螺杆连接夹紧,接缝处嵌填橡胶防水条防水。

主索鞍采用铸焊结合型结构,由鞍头和鞍身两部分组成,两者组焊为一体。

为减轻顶推摩阻力,鞍体下设聚四氟乙烯滑板以适应施工中的相对位移量,在张家界岸塔上预偏量为869mm,在花垣岸塔上预偏量为816mm。

主索鞍分两半制造,吊装后用高强螺栓联为一体。

两岸边跨附加索股锚固于鞍顶的锚梁上。

塔顶设有底座格栅,格栅悬出塔顶以外,以便安置控制鞍体移动的千斤顶,鞍体就位后将格栅的悬出部分割除。

散索鞍鞍体也采用铸焊结合的结构方案。

鞍槽用铸钢铸造,鞍体由钢板焊接而成。

3.3 索塔及基础索塔采用双柱式门式框架结构,由扩大基础、塔座、塔柱和横梁(上横梁、下横梁)组成。

张家界岸索塔自扩大基础顶以上高137.488m,花垣岸索塔高123.192m。

索塔设上、下两道横梁,塔柱底设塔座并坐落在分离式扩大基础上。

塔柱为空心矩形箱形结构,横向等宽5.5m,顺桥向顶部9m高的范围由于安装主索鞍的需要,宽度为8.8m,竖向设4m高的过渡段,宽度从上向下由8.8m变为7.6m,其余部分顺桥向宽度按100 1的斜率从上向下渐变。

上下横梁高6.0m,均采用预应力混凝土箱形结构。

塔座高5m,外轮廓纵横向宽度均按10 3的斜率渐变,内壁轮廓纵横向宽度均按4 1的斜率渐变;塔座底设3.0m厚的实体段。

分离式扩大基础高6m,单侧基础纵横向宽度分别为21m和17m,基础嵌固在基坑内。

3.4 锚碇重力式锚碇分锚块、散索鞍基础、前锚室、后锚室4部分。

其中锚块主要承受预应力锚固系统传递的主缆索股拉力,散索鞍基础主要承受由散索鞍传递的主缆压力,前锚室为封闭空间,对主缆索股起保护作用。

为减少用钢量,同时合理设计锚块和散索鞍基础形状,并节约混凝土用量,采用了预应力锚固系统。

预应力钢束沿索股发散方向布置,锚固于后锚面,前后锚面均为与主缆合力线垂直的平面。