建筑高度限制条件下特大桥结构方案比选

建筑高度限制条件下特大桥结构方案比选高燕梅、周志祥(重庆交通大学，重庆，400074）摘要：榕江特大桥位于广东省潮惠高速公路榕江河段，其建筑高度收到双重限制：桥下Ⅲ级航道，主跨跨度不小于380m；同时桥梁高度受机场控高要求的限制，潮州侧主墩桥梁控高96.56m，惠州侧主墩桥梁控高109m。因此考虑三种桥型方案：方案一为作者提出的下承式预应力钢桁－砼组合连续刚构桥方案，方案二为自锚悬索桥方案，方案三为钢-混凝土混合箱梁矮塔斜拉桥方案。本文着重阐述了方案一的结构设计理念，讨论了其结构总体布置和关键构造细节，并进行了施工和使用阶段的力学性能分析，论证了下承式预应力钢桁－砼组合连续刚构桥方案在特定条件下的可行性和合理性。关键词：通航净空限制，桥梁高度限制，方案比选，下承式预应力钢桁－砼组合连续刚构桥，设计理念，构造特点，力学性能分析中图分类号：U443.38文献标志码：ASchemeComparisonofSuper-LargeSpanBridgeundertheConditionofLimitedBuildingHeightYanmeiGao,Zhixiangzhou(ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China,Chongqing,400074,Chinalg2346@163.com,zhixiangzhou@)Abstract:Rongjiangsuper-largebridgeisapartofthehighwayfromChaozhoutoHuizhouinGuangdongprovince.ToensurethenormalnavigationunderthebridgeandmeettherequirementsofAirfieldHeightControl,boththespanandtheheightofthebridgearelimited,thusthemainspanshouldnotbelessthan380mwhilethebridgeheightsofthepierontheChaozhouandtheothersideshouldrespectivelynotbemorethan96.65mand109m.Duetothedoublerestrictionsofspanandbridgeheight,threeschemesareconsideredwhichincludestheschemeofprestressedsteeltruss-concretecompositethroughcontinuousrigidframebridgewhichisproposedinthispaper,steel-concretecompositeboxgirderlow-pyloncable-stayedbridgeandself-anchoredsuspensionbridge.Aimingattheprestressedsteeltruss-concretecompositethroughcontinuousrigidframebridge,thedesignideasaredescribed,thegenerallayoutandthedetailedconstructionarediscussedandthemechanicspropertyanalysisinperiodofconstructionandservicearealsomadetodemonstratethefeasibilityandreasonabilityofthisschemeundergivenconditions.Keywords:Navigationclearancelimitation,Buildingheightlimitation,Schemecomparison,Prestressedsteeltruss-concretecompositethroughcontinuousrigidframebridge,Designidea,Constructionfeature,Mechanicspropertyanalysis.1概述桥梁工程发展到现在，主要有梁、索、拱三种类型，通常在100-150米以内工程师认为选择梁式、拱式结构桥梁是比较经济合理的。当跨径大于500米后索结构桥梁被大量的应用，斜拉桥、悬索桥都是特大跨径桥梁中常用的桥型，其建设费用也相当昂贵。于是在200-500米范围内，选择什么样的桥型能同时解决结构受力的可靠性和经济合理性就成为难题，桥梁设计者们常常会在梁、索、拱三种类型中根据桥位具体情况择优选择。随着组合结构的发展，钢-混组合桥梁的研究越来越成熟，作者认为在钢-混组合桥梁中一定可以找到适合200-500米的桥型，在结构上和经济上达到双赢。广东潮惠高速公路榕江特大桥的方案比选就不失为钢-混组合桥梁在200-500m跨径内的合理应用。本文结合榕江特大桥三个桥型设计方案：新型的下承式预应力钢桁架-砼组合连续刚构桥方案、矮塔斜拉桥方案[1]以及自锚式悬索桥方案[1]，着重阐述了方案一的结构设计理念，讨论了结构总体布置和关键构造细节，并进行了施工和使用阶段的力学性能分析，论证了其在特定条件下的可行性和合理性。2主要技术标准榕江特大桥位于广东省潮（州）至惠（州）高速公路榕江河段，潮汕民用机场附近。荷载标准：公路-Ⅰ级；桥面宽度：33.5m，其中行车道宽2×(3×3.75)m；桥梁设计基准期：100年；设计洪水频率：1/300；抗震设防标准：P1概率50年10%，P2概率50年2.5%。建筑高度受到双重限制：=1\*GB3①桥下Ⅲ级航道，通航10000吨海轮，考虑通航净空、主墩基础尺寸和防撞设施的需要，主跨跨度应不小于380米，桥下通航净空不小于38m；=2\*GB3②机场控高要求的影响：榕江大桥桥位距新建潮汕机场仅5km左右，主桥大部分位于机场锥形面内，仅潮州侧过渡墩位于起飞爬升面内，控高56m，具体见下图1。桥面以上建筑高度不得高于机场控高要求，包括避雷针等。所以桥梁高度受机场控高要求的限制，潮州侧主墩桥梁控高96.56m，惠州侧主墩桥梁控高109m。图1榕江大桥桥梁高度控高要求3桥型方案设计根据桥位情况及工程特点，结合功能、景观要求，并着重考虑桥位处的双重限高的要求，榕江特大桥的主桥提出三种桥型设计方案：新型的下承式预应力钢桁架-砼组合连续刚构桥方案、矮塔斜拉桥方案[1]以及自锚式悬索桥方案[1]。3.1下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥方案该方案为下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥方案（如图4），为增加可比性，桥长设计与其它两个方案相同，主桥跨径布置为（170+380+170）m，主桁顺桥向采用变截面形式，墩顶桁高42m，跨中桁高10m，考虑到斜杆角度，节间距布置为：12m、10m、7m，横桥向三片主桁，横向间距17.5m。桥型特点是悬臂施工，可根据每个施工阶段的受力情况，适时在上弦杆内张拉预应力钢束，以满足受拉需要；适时在下弦杆内灌注混凝土以及下弦杆之间浇筑与之结合受力的底板混凝土，以满足受压需要。图4下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥方案 此方案是一种新型下承式预应力钢桁架-砼组合结构形式，在满足限高条件下，造型美观，自重显著降低，跨越能力大、施工工艺简化，工期缩短，综合经济效益高，工厂化制作构件质量有保证，施工可控则施工质量有保证，桥梁结构受力明确合理，可根据结构在各施工和使用阶段不同的受力需要进行不同的组合和适时联结，充分发挥了钢和砼两者的材料优势，结构性能可靠稳定，抗风抗震性能好、长期维护成本低等优点。此桥型的施工必须要求专业化的施工队伍和专门的机具设备，致使其造价相对偏高；另外此桥型存在显性的定期涂漆维护要求，使其名义维护费用相对较高，但综合而言全寿命周期总费用低。3.2矮塔斜拉桥方案该方案为双塔双索面混合梁矮塔斜拉桥（如图2），主桥跨径布置：55m+110m+380m+110m+55m=710m，桥下通航净空高度38m，桥塔高度受机场控高限制，塔顶高度（包括避雷针）不能超过96.56m，其中上塔高45m。主梁采用混合梁形式：主跨及边跨辅助墩至主塔间部分采用钢箱梁，其余部分采用砼箱梁，在辅助墩墩顶近主跨侧设2.5m的钢砼结合段，梁高3.5m，采用半飘浮体系，平衡悬臂拼装施工。图2主跨380m矮塔斜拉桥方案矮塔斜拉桥从结构受力形式上与梁式桥基本相同，广泛意义上来讲属于体外预应力辅助的梁式桥，其经济跨径在100m～250m之间。结合本桥受机场控高要求的特殊条件，此方案桥面以上索塔高度可以满足机场控高要求，虽已超出其经济跨径范围，但技术相对成熟，是一可行方案。技术难度：上塔柱高度有限，为增加斜拉索角度，使得斜拉索在塔柱相对集中，导致塔柱锚固区空间狭小，只能在梁段张拉，因此斜拉索安装、张拉和锚固较困难。斜拉索倾角较小，竖向分力较小，所需斜拉索截面面积增大，不经济；且水平分力较大，主梁轴力较大，不利主梁稳定，受力欠合理。3.3自锚式悬索桥方案该方案为双塔双索面混合梁自锚式悬索桥（如图3）,边跨不设置吊索，跨径布置为:50m+60m+60m+380m+60m+60m+50m=720m。本桥采用两根平行丝股主缆，预制丝股法（PWS）施工，单缆为65束127丝φ5.1mm镀锌高强钢丝。在满足机场控高的前提下，尽可能提高矢跨比，以减小主缆水平分力对加劲梁的压力，所以主跨矢跨比最多只能采用1:9，较一般自锚式悬索桥矢跨比在1/6小。中跨加劲梁选择自重轻、强度高、抗扭刚度大、抗风稳定好、有利于结构耐久性的流线型扁平闭口钢箱梁为主梁截面形式，其余均采用混凝土箱梁。图3主跨380m自锚式悬索桥方案自锚式悬索桥具有悬索桥线形优美柔和、对地形及地质状况适应强等优点，主缆直接锚固在加劲梁上，省去大体积地锚，成为大、中跨度桥梁极具竞争力的方案。此方案桥面以上索塔高度可以满足机场控高要求，是一可行方案。技术难度：目前自锚式悬索桥的施工方法均采用支架架设主梁法，而榕江大桥桥下为了满足通航的需要，不能搭设临时支架，只能采用临时斜拉索成梁，尚属首次。此方法存在矮塔斜拉桥主梁施工的问题，并且需要采用吊杆接长进行体系转换，结构体系转换是本桥的关键性技术和难点，施工风险高，施工措施费高，难度大，后期养护费用高。3.4方案比选在通航净空和桥梁高度双重限制条件下，广东榕江特大桥选取了三种桥型方案：矮塔斜拉桥方案已超出其经济跨径范围，且上塔柱高度有限，斜拉索倾角较小，不经济，水平分力较大，主梁轴力较大，不利主梁稳定，受力欠合理。自锚式悬索桥方案采用临时斜拉索成梁，尚属首次，需要采用吊杆接长进行体系转换，结构体系转换是本桥的关键性技术和难点，施工风险高，施工措施费高，难度大，后期养护费用高。下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥方案采用预应力钢桁—砼的组合结构，既有效降低了桥梁高度，又满足了受力需要，具有很好的经济效益，推荐采用此方案。桥型下承式预应力钢桁-砼连续刚构构桥矮塔斜拉桥自锚式悬索桥施工悬臂拼装施工，工工艺成熟,预制装配，工工期可望缩短短20%悬臂施工，存在较较多高空作业业，边跨需要要现浇混凝土土，工期长..采用临时斜拉索成成梁，尚属首首次。结构体体系转换是本本桥的关键性性技术和难点点，施工风险险高，施工措措施费高，难难度大结构性能利用组合结构优势势，既基本避避免开裂病害害，又能适度度降低造价。斜拉索倾角较小，竖竖向分力小，所所需截面面积积增大，费材材；水平分力力较大，主梁梁轴力较大，不不利主梁稳定定；混凝土主梁梁可能存在后后期开裂问题题。加劲梁必须承受来来自主缆巨大大的拉应力。养护维修存在定期外表面涂涂漆维护要求求，维护费用用相对较低斜拉索及钢箱梁需需定期养护，存存在麻烦的换换索工作，后后期养护费用用高主缆、吊索及钢箱箱梁需定期养养护，存在麻麻烦的换索工工作，后期养养护费用高4下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥结构特点及关键构造细节下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥的设计理念为根据主跨不同区段受力需要选用与之相适应组合截面(图6)。即利用钢桁作为结构的可能受拉部分，可避免结构裂缝；用以混凝土为主的钢—混凝土组合体作为结构的受压部分，可减小用钢量，增强受压钢板的稳定性，提高主跨结构刚度。本方案1/2主跨结构如图6所示。分析表明，预应力钢桁-砼组合连续刚构桥墩顶区段以承受负弯矩为主，截面上缘受拉，下缘受压（如图5），因此钢桁选取预应力钢箱上弦（在受拉钢管中设置预应力钢束构造，在建筑结构中已应用），下弦杆与混凝土相结合的截面形式（如图A-A、C-C）：钢桁上弦杆受拉（根据受力要求可以在上弦杆钢箱内设置适时张拉的预应力钢束并灌注固化防腐材料，以有效降低用钢量并可据需调节钢桁应力至期望状况），能避免拉应力作用下结构开裂问题；下弦内灌注自密实微膨胀混凝土，并在两片钢桁下弦杆之间浇筑与下弦钢箱结合的混凝土作为受压构件,可有效减小用钢量，增大主跨结构刚度并有助于增强下弦杆的受压局部稳定性。跨中区段以承受正弯矩为主，截面下缘受拉，上缘受压（如图5），但因为悬臂拼装施工，跨中正弯矩值相对较小，所以选取钢桁下弦与钢桥面板结合受拉，上弦仅空钢箱受压的截面形式（如图6中B-B、D-D），上弦杆空钢箱能满足受压需要的情况下，不需灌注混凝土。图51/2跨弯矩包络图图下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥1/2L结构构造图6下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥下弦杆构造4.1上弦内预应力束构造墩顶负弯矩区段，上弦杆受拉，为了有效降低用钢量并可据需调节钢桁应力至期望状况，弦杆内可按需配置纵向预应力束，因此为方便张拉预应力束，上弦采用直线变化，并在上弦杆内适处布置钢束分束导向板，方便布束，待张拉完成后，在弦杆钢箱内灌注固化防腐材料（在受拉钢管中设置预应力钢束构造，在建筑结构中已应用）（如图7）。图7负弯矩区段上弦钢箱预应力束布置4.24.3下弦构造墩顶负弯矩区段：在悬臂施工过程中，适时下弦杆钢箱内灌注自密实微膨胀混凝土，并在两片钢桁下弦杆之间浇筑与下弦钢箱结合的混凝土作为受压构件（悬臂施工安装桁梁杆件的同时，适时安装下弦杆之间的预应力混凝土预制板作为底模使用并参与受压）。为了使浇筑的底板砼与钢桁下弦杆之间形成可靠联结，共同工作，需要设置BPH剪力联结构造（如下图）。图下弦BPH剪力联结构造中跨跨中正弯矩区段：在下弦杆的横向联系上铺设钢桥道板；钢桥道板与下弦杆之间作联结构造处理，使桥道板作为受力构件参与下弦杆受拉。4.3PBH剪力键联结构造墩顶负弯矩区段：在悬臂施工过程中，下弦杆受压，适时下弦杆钢箱内灌注自密实微膨胀混凝土，并在两片钢桁作为受压构件，同时，适时安装下弦杆之间的预应力混凝土预制板作为底模使用并参与受压。为了使浇筑的底板砼与钢桁下弦杆之间形成可靠联结，共同工作，需要设置BPH剪力联结构造（如图8）。钢与混凝土之间的剪力连接键是钢-砼组合结构中至关重要的传力部件。PBH剪力联结构造是在PBL剪力键的基础上发展起来的，是将PBL剪力键的开孔钢板用钢箱本身的加劲肋所代替，将PBL剪力键的销栓钢筋用设置于混凝土中的箍筋所代替。PBH剪力联结构造更强调箍筋穿过开孔加劲肋与纵筋形成箍筋骨架，从而保证了弦杆与混凝土联结的可靠性。已有的试验和理论研究[4,5]表明，PBH可以有效的连接钢箱和砼，在达到承载力破坏前，钢箱与混凝土之间几乎没有滑移变形。图9PBH局部构造图片图9PBH局部构造图片图8下弦BPH剪力联结构造5主要施工工序=1\*GB3①安装0号节段钢桁，并将钢桁与墩顶间实行墩梁固结=2\*GB3②悬臂拼装钢桁节段，适时浇注底板砼和对主桁上弦施加预应力=3\*GB3③悬臂拼装钢桁节段，安装边跨正弯矩区段预制桥道板，中跨跨中正弯矩区钢桥面板，注意桥墩两边悬臂重量平衡=4\*GB3④合拢桥跨，负弯矩区段上弦杆内灌注固体防腐材料；施工桥面系构造6下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥受力性能分析采用平面杆系程序桥梁博士Ｖ3.2.0，建立下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥有限元模型，全桥共划分351个单元，182个节点，计算模型如图6所示。计算中上述施工工序划分施工阶段；成桥阶段考虑收缩徐变2000天，考虑年温差影响后桥梁整体升温15度，降温15度；活载横向分布系数、车道数及车道横向折减系数按杠杆法计算得2.197。荷载组合考虑恒载+公路I级+砼板收缩徐变+温升，恒载+公路I级+砼板收缩徐变+温降。计算结果表明满足结构应力满足规范要求：表1最大悬臂状态控制点应力计算值(MPa)表2成桥状态控制点应力计算值(MPa)表3不利荷载组合下控制点应力计算值(MPa)墩顶上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面上缘-68.534.4-9截面下缘-62.261.1-64.657.15.96跨中上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面下缘00000截面下缘00000墩顶上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面上缘-73.657-87.790.64.02截面下缘-4381-63.798.26.11跨中上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面下缘20.3-15.12.2-4.690截面下缘15.1-16.62.2-4.410墩顶上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面上缘-158101-170-1597.73截面下缘-8854-145-1389.97跨中上弦杆下弦杆竖杆斜杆底板砼截面下缘161-5.4810.216.30截面下缘53-15510.16.2706结论=1\*GB3①方案比选：在通航净空和桥梁高度双重限制条件下，广东榕江特大桥选取了三种桥型方案：矮塔斜拉桥方案已超出其经济跨径范围，且上塔柱高度有限，斜拉索倾角较小，不经济，水平分力较大，主梁轴力较大，不利主梁稳定，受力欠合理。自锚式悬索桥方案采用临时斜拉索成梁，尚属首次，需要采用吊杆接长进行体系转换，结构体系转换是本桥的关键性技术和难点，施工风险高，施工措施费高，难度大，后期养护费用高。下承式预应力钢桁-砼组合连续刚构桥方案采用预应力钢桁—砼的组合结构，既有效降低了桥梁高度，又满足了受力需要，具有很好的经济效益，推荐采用此方案。=2\*GB3②结构特点：钢-砼组合连续刚构桥充分发挥了钢和砼两者的材料组合优势，受拉为预应力钢结构或钢结构，受压为以砼为主的钢-砼结构，显著降低自重，避免结构裂缝，在上