大跨径空间索面悬索桥缆索体系设计

大跨径空间索面悬索桥缆索体系设计

主脚手架、悬索桥悬索桥的主辊、悬索和加速梁构成了三维电缆体系。与大型平面电缆悬索桥相比，当悬索桥的张力约束力没有增加时，就有必要在空间范围内连接电缆梁，并对振动进行更均匀的限制。电缆和电缆对增强的梁的限制最为严格，结构上的横向刚性和横向刚度显著增加。1麻黄大桥上跨主缆配置宝塔坪大桥位于重庆市奉节县，横跨长江一级支流梅溪河，且梅溪河入长江口900m处，工程区域自然景观丰富，旅游景点众多，历史人文底蕴深厚，大桥承载的自然、人文等内涵对桥型方案景观提出更高要求，大桥建成后将成为当地标志性建筑，为城市增加一道亮丽的风景线。宝塔坪大桥是一座双塔单跨地锚式空间索面悬索桥，主缆的跨径布置为240m+800m+230m。两主缆散索点横向中心距分别为32m、23.5m，边跨主缆在横向自然形成斜线；在桥塔处的两主缆横向间距为10m，中跨梁体吊点横向距离为23.5m，主缆在跨中横向自然撑开形成橄榄型，两主缆横桥向间距由塔顶主索鞍出口处的10m逐渐过渡到跨中的22m。主缆位于竖向平面内，在自重和主跨加劲梁重量的作用下，中跨主缆自然形成分段悬链线。全桥共计65对吊索，吊索横向呈提篮型（见图1）。2桥梁方案的选择2.1主墩布置条件梅溪河水位变化受长江三峡水库调度控制，水位消落高差达30m。桥梁桥墩应尽量布置在浅水区或者岸上，以降低施工难度和减小施工风险。在高水位时，水面处宽度约850m。右岸河岸边坡相对较缓，有约300m长度的滩地，滩地高程约175m。右岸主墩布置需考虑深水基础施工风险，降低基础工程的造价、减小跨径。右岸主墩采用简单的土石方筑捣，选择置于水边的缓坡处，主墩中心河床面高171.3m，三峡大坝蓄水位173.79m，承台范围内最大水深2.5～3.0m，承台基础开挖前简单筑岛围堰即可施工。桥墩位置选择示意图见图2。左岸主墩位于梅溪河航道圆弧段外侧，船撞概率很高，故左岸主墩应尽可能靠近岸侧布置。左岸岸坡达80°，非常陡峭，存在岩体卸荷影响。该处桩长需穿过岩体卸荷带，桩长达130m以上，施工难度大、费用高，不适宜布置主墩；左岸线路通过主塔后立即转弯，行车视距差，运营期安全风险高。因此，左岸桥塔选择在陡峭山坡的坡底位置，确定桥梁主跨为800m。2.2近梅河口上既有桥梁分析主跨径800m的合理桥型有悬索桥和斜拉索桥，如果选择斜拉桥，左岸桥墩布置在陡峭岸坡处，山体陡峭无法布置斜拉桥边跨，且无空间布置斜拉索，因此斜拉桥不适合本桥位处的地形、地势，只有选择悬索桥。桥位（图中下桥位为桥梁实施桥位）附近梅溪河上既有桥梁如图3所示：宝塔坪大桥上游分别是郑万高铁桥、梅溪河复建桥和G42公路桥。在建的郑万高铁桥位于宝塔坪大桥上游1.2km处，为主跨340m的上承式钢筋混凝土提篮拱桥。梅溪河复建桥紧靠郑万高铁桥，位于郑万高铁桥上游300m，为主跨288m的上承式钢管混凝土拱桥。G42高速公路桥位于梅溪河复建桥上游，为主跨386m的双塔双索面预应力混凝土斜拉桥。鉴于本桥位附近既有桥型均为拱桥和斜拉桥，为避免与附近桥型类同，契合“一桥一景”的设计原则，选择悬索桥为本桥设计桥型，既丰富奉节县的桥型景观，又为当地增添标志性建筑。由于本桥桥面双向4车道，梁体的宽跨比较小，结构的整体横向刚度偏小，为改善全桥的动力性能，桥型设计为空间索面悬索桥。宝塔坪大桥方案立面布置图见图4。3桥塔造型与设计传统平面索悬索桥塔顶横向距离和主梁吊点横向距离相同，为固定值；塔型相对单一，地锚式悬索桥桥塔基本为H形。空间索面悬索桥塔顶横向间距可随意调整，为桥塔的选型提供更多选择。“夔文化”是三峡文化的丰碑，宝塔坪大桥桥塔的创作元素源自奉节夔文化之“夔”，桥塔提取夔纹的图腾元素进行创作，造型大气磅礴，能表述地域文化。桥塔造型创作元素“夔”见图5。桥塔景观演变以及桥塔正视图见图6、图7。桥塔两弧形曲线塔柱宛如巨龙的身体，塔冠犹如龙头，塔柱间上横梁犹如龙珠形状，整个桥塔寓意“双龙戏珠”，象征奉节县经济发展突飞猛进，人民生活水平节节高。桥塔塔柱采用钢筋混凝土结构，复杂的空间曲面塔冠采用钢结构。将造型极为复杂的桥塔塔冠结构和鞍座结构，利用BIM技术使模型可视化、信息化，减少各构件不协调、位置易冲突等难题，真正实现BIM技术的正向应用。桥塔塔冠BIM模型见图8。和传统平面索悬索桥相比，桥塔塔顶处除受到主缆传给桥塔的巨大竖向力外，还有主缆的水平分力，并由主塔上横梁承担。因此，主塔塔顶横梁比平面索悬索桥配置更强。4钢梁、钢梁节段经过对宝塔坪大桥的计算，吊索传给加劲梁的水平分力很小，每根吊点处水平分力仅为100kN，对加劲梁横隔梁的影响很小。因此，加劲梁的设计与传统平面索悬索桥设计基本相同。宝塔坪大桥加劲梁为钢混组合梁，加劲梁由主纵梁、次纵梁、横梁和风嘴组成。加劲梁由钢梁通过剪力钉与混凝土桥面板结合而成。钢梁节段按加劲梁水平投影长度划分，共分为3种类型，其中，B型梁段为标准节段，A型梁段为跨中节段，C型梁段为梁端节段。C型梁段根据伸缩缝和结构需要，在端部2.8m范围内采用整体箱梁布置。加劲梁全宽27.99m，中心线处梁高3.00m。A梁段长9.0m,B梁段长12.0m,C梁段长10.0m。钢梁节段采用栓焊组合连接，即顶板焊接，腹板和底板采用高强螺栓连接。由于桥面设计为双向4车道，桥面较窄，加劲梁宽跨比较小，加劲梁风嘴较短，全桥颤振稳定性无法满足规范要求。为满足结构颤振稳定性需要，加劲梁采用尖端型风嘴型式。宝塔坪大桥加劲梁断面图见图9。5锚设计宝塔坪大桥右岸地势平缓，采用重力式锚碇，左岸充分利用山体地理优势，锚碇设计为隧道式锚碇。5.1斜式锚碇的优点宝塔坪大桥为空间三维缆索体系悬索桥，右岸若采用传统的锚碇结构形式，则主缆在锚碇位置处横向形成折角，将存在如下难题。1）主缆各索股、主缆锚固系统受力较不均匀。2）主缆因折角产生附加应力，导致主缆应力增大。3）位于散索点处的散索鞍不仅受到竖向面内荷载作用，且受到较大的横向面外荷载作用，承受面外荷载将增加结构设计难度。4）散索鞍为适应主缆在散索点处的转角，散索鞍的鞍槽需在水平面形成圆弧状，竖直面本来是半径多次变化的（3次以上）复杂的圆弧形状，若水平面做成圆弧状，使得散索鞍设计、制造加工极为复杂，导致空间受力复杂、计算十分繁琐。宝塔坪大桥将传统的平行于桥梁纵向的锚体按照边跨主缆的方向进行旋转，变成倾斜式锚碇，使得主缆锚跨段和边跨段在同一条直线上，上、下游侧2个锚体不再平行，而是呈锥形，解决传统锚碇出现的一系列问题。采用倾斜式锚碇，具有以下优点。1）主缆锚跨段和边跨段在同一条直线上，主缆索股和锚固系统受力均匀，各索股和锚固系统可采用同等尺寸的安全度，避免同一构件因受力不同而采用多种尺寸，简化设计、制造和施工。2）主缆在散索点平顺通过、无折角，避免主缆索股因为弯折而产生附加应力，主缆在散索鞍鞍槽中直线通过，对散索鞍不产生面外荷载。3）由于主缆在散索点处直线通过，散索鞍采用传统散索鞍形式，只需在竖直面采用变直径的圆弧形锚跨，在水平面采用直线形状，大大简化鞍的设计和加工。5.2国内最长猫道洞左岸地势陡峭，为较高的山体，出于经济性考虑，左岸锚碇充分利用现有地形，选用隧道式锚碇。为确保隧道式锚碇锚固可靠，锚塞体选择嵌固在微风化岩层内，由于山体表面较深的一段范围内岩石较为破碎，导致隧道式锚碇猫道洞较长，猫道洞长达88m，为国内最长猫道洞。猫道洞横断面越大，则猫道洞的开挖量越大。因此，设计时摒弃传统的大型机具运输方式，在88m长的猫道洞内安装滑道，通过顶推滑动的方式，将重量50t的散索鞍鞍体运输到位，最大程度地减小开挖面，节约工程投资。左岸隧道式锚碇锚体同右岸重力式锚碇锚体设计形式，亦采用倾斜式锚固形式。6空间斜平面主索鞍若主索鞍采用传统竖直主索鞍，主索鞍不仅受到竖直面的垂直压力，还要受到很大的水平面外力。水平面外力对索鞍形成较大剪力和弯矩，受力较为不利。宝塔坪大桥主索鞍采用空间斜平面主索鞍，倾斜的方向选择在竖向力和水平力的合力线上，倾斜后主索鞍受力模式同传统平面索悬索桥主索鞍，仅受到面内压力，无面外荷载。空间索面主索鞍鞍槽曲线具有竖直面与水平面内曲线特征，通过斜置索鞍使得空间主缆对索鞍的合力方向与索鞍倾斜面一致，保证索鞍受力合理。宝塔坪大桥是空间斜平面索鞍在国内大跨径地锚式悬索桥上的首次应用，具有一定的创新意义和实用价值。宝塔坪大桥主索鞍侧面布置图见图10。7横向变距式缆载吊机宝塔坪大桥桥塔、锚碇、缆索体系施工和平面索体系悬索桥基本相同，加劲梁的架设则比普通平面索悬索桥繁琐；与平面索悬索桥不同，空间索悬索桥的空缆线形与成桥线形横向差别较大。空缆与成桥主缆线形示意图见图11。由于主缆的空缆线形到成桥线形变化较大，所以吊装加劲梁的缆载吊机在横向橄榄型主缆上行走不能采用常规的等距式缆载吊机，需采用横向变距式缆载吊机。经研究，缆载吊机受力时变距难度大，因此在吊梁前需在主缆之间设置多道横撑，将主缆撑顶至成桥位置，然后将变距式置于橄榄型主缆之上，使缆载吊机逐步横向变距。在主缆横向撑至成桥位置后安装索夹，索夹安装时应准确定位索夹横向倾角。宝塔坪大桥主跨采用7道横撑，每100m设置1道横撑，最大横撑轴力为60t，轴力均较小。横撑在一定范围内可任意变跨度的步履式顶撑装置，通过加节、顶推实现主缆撑开。步履式顶撑装置主要由标准桁架节段、夹缆装置、顶推滑移装置、辅助吊机和同步控制系统等部分组成。步履式顶撑装置示意图见图12。8空间索面悬索桥特点以宝塔坪大桥为背景，介绍空间索面悬索桥和传统平面索悬索桥在桥塔、加劲梁、锚碇、主索鞍的设计及施工的不同，得到以下结论。1）传统平面悬索桥塔顶横向距离为固定不变值，塔型相对单一，基本为H形；空间索面悬索桥塔顶横向间距可随意调整，桥塔选型较为丰富。桥塔塔顶位置处，除受主缆传给桥塔的巨大竖向力外，还有主缆的水平力，使主塔塔顶的横梁比平面索悬索桥配置更强。2）空间索面悬索桥加劲梁设计和传统平面悬索桥基本相同。3）传统平面悬索桥锚碇为平行锚碇；空间索面悬索桥合理的锚碇形式为倾斜式锚碇。4）传统平面悬索桥主索鞍在竖直平面内；空间索面主索鞍鞍槽曲线具有竖直面与水平面曲线特征，通过斜置索鞍使主缆对索鞍的合力方向与索鞍倾斜面一致。5）空间索面悬索桥安装加劲梁时，先将主缆用横向顶撑成成桥线形，用变距式缆载吊机起吊加劲梁拼装，与传统平面悬索桥截然不同。空间索面悬索桥比平面索面悬索桥具有更佳的观赏性、更优的动力性能，在城市桥梁与旅游景区桥梁、跨越江海、峡谷的桥梁中，空间索面悬