波形钢腹板箱梁斜拉桥主梁设计

波形钢腹板箱梁斜拉桥主梁设计

1结构体系方面的开发一些斜拉桥是近年来建设的一种新桥结构形式。就结构特征而言，一些斜拉桥是介于连续梁桥和斜拉桥之间的新桥。否则，即使是桥的连续梁桥属于刚性桥，斜拉桥属于柔性桥，一些斜拉桥是连接刚柔之桥的新形式。从连续梁桥、斜拉桥到部分斜拉桥,其发展过程与混凝土结构的发展过程十分相似,混凝土结构从普通钢筋混凝土、预应力混凝土到部分预应力混凝土,部分预应力混凝土的出现填补了普通钢筋混凝土和全预应力混凝土之间的空白。同样,部分斜拉桥的出现将填补刚性桥型与柔性桥型之间的空白。部分斜拉桥的结构思想由法国学者提出,1994年日本建成了世界上第一座部分斜拉桥——小田原港(OdawaraPort)桥。迄今日本已修建了20余座此类桥梁,并将其推广到菲律宾、老挝等地。日本人称之为ExtradosedBridge,我国在介绍这种桥时有称之为部分斜拉桥的,也有称之为矮塔斜拉桥或低塔斜拉桥的,本文暂以“部分斜拉桥”称之。我国在这种桥型上起步稍晚,1999年建成的芜湖长江大桥是一座公铁两用的部分斜拉桥,2001年9月通车的漳州战备桥是我国第一座公路部分斜拉桥。这种桥梁的优越性价比已引起了国内桥梁界的重视,目前有逐渐兴起的趋势。由于它优越的结构性能、良好的经济指标,在一定的跨径范围内越来越显示出其巨大的发展潜力。波形钢腹板的结构设计思想也是由法国工程师提出的。20世纪80年代后期,法国学者提出用钢板代替预应力混凝土箱梁中混凝土腹板并配以体外索以减轻自重的设想,并将其应用于法国费圣—奥班(Fert-saint-Aubin)桥之中。但该桥在设计中发现,平面钢腹板对箱梁顶底板纵向约束较大从而造成施加在顶底板上预应力的损失较大。为此,法国学者PierreThrivans提出将平面钢腹板改为波形钢腹板,从而产生了一种新型的、更为合理的波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥,又简称波形钢腹板PC梁。波形钢腹板PC梁构造简单,结构受力明确。波形钢腹板不承受纵桥向的轴力,因此预应力施加的轴力全部作用在顶底板上;波形钢腹板主要承受由弯矩与扭矩产生的剪应力。除在顶底板中配置预应力束外,还配置大量的体外索,以减轻自重。与相同跨径的普通预应力箱梁相比,波形钢腹板的预应力箱梁其自重可减轻25%～30%。因此,波形钢腹板预应力箱梁出现后很快就得到了推广应用,其中以法国与日本应用得最多。部分斜拉桥与波形钢腹板箱梁这两种由法国人提出、在日本得到大量发展的新型桥梁结构,最近在日本新建的日见(Himi)桥和栗东(Rittoh)桥两座桥梁(见图1)中结合了起来,日本人称之为ExtradosedBridgewithCorrugatedSteelWebs,本文则称之为波形钢腹板部分斜拉桥。在部分斜拉桥的主梁中采用波形钢腹板,有利于降低主梁的自重、增大跨径、减小地震反应;也有利于施工的合理化和工期的缩短,降低施工成本;波形钢腹板具有良好的折叠性,使施加在主梁上的预应力更有效地作用在箱梁的顶底板,不被腹板吸收,使预应力能发挥其最大的作用,而且这种折叠性使得腹板抗局部屈曲的能力有了很大的提高。栗东桥是世界上第一座设计采用波形钢腹板部分斜拉桥的桥梁,日见桥则为第二座。然而,长崎日见桥的施工进度较快,因此,它可成为第一座建成的波形钢腹板部分斜拉桥。本文的作者对这两座桥进行了实地考察,重点考察了日见桥。现以长崎日见桥为主对这两座桥的设计、施工与科研进行介绍。2中央桥梁边墩日见桥是日本近期正在施工的为数不多的大型桥梁之一,它位于九州横断自动车道长崎大分线的起点,距长崎市区约4km,跨越一个山谷和分布在山谷两侧的国道34号线。大桥全长365m,主桥采用部分斜拉桥,跨径布置为(92.5+180+92.5)m,桥面净宽9.75m,总宽12.95m,其总体布置示意见图2(a),主要材料数量见表1。栗东桥是日本第二名(名古屋)神(神户)高速公路中的一座桥梁,位于大津交叉口和信乐交叉口之间的山地,在琵琶湖的东南端约10km处。桥位的西侧是十分陡峭的山地,山上有日本珍稀的植物,桥梁直接接上栗东隧道。考虑到地形条件和环境保护因素,不宜在山坡上设墩,而应以大跨度跨越。采用波形钢腹板部分斜拉桥,能够减轻自重、实现较大的跨度,方便施工、利于提高施工效率和保证质量,也便于今后的维护。栗东桥分上、下行两幅桥,东京方向桥梁全长为495.0m,跨径布置为(67.5+115+170+137.5)m;大阪方向桥梁全长555.0m,跨径布置为(72.5+90+75+160+152.5)m。每幅的行车道宽16.5m。地面起桥墩的最大高度为72m,桥塔高度为30.5m,其总体布置示意见图2(b)。3主梁和钢横叶片日见桥由于桥面不是很宽(净宽9.75m),所以为便于施工,主梁采用单箱单室断面的梯形梁。梁高选用时比较了3.0,4.0和5.0m三种。梁高3.0m时,斜拉索、体外索的用量增加,结构受力性能不佳。梁高5.0m时,扣除上下翼缘高度后腹板竖向高为3.0m,考虑了腹板的倾角后腹板高约为3.5m,由于受运输条件的限制,波形腹板应在高度方向进行现场拼接,这将给施工带来麻烦。因此,主梁高选用4.0m。过去的预应力混凝土斜拉桥和部分斜拉桥主梁在斜拉索的锚固区常用混凝土横隔板来加强。日见桥与栗东桥则采用了钢横隔板。钢横隔板主要承担斜拉索的竖向分力、为箱梁提供抗扭刚度,并对体外索起定位作用。采用钢横隔板有利于减轻自重、满足局部受力要求并提高施工效率。日见桥与栗东桥的主梁构造见图3。波形腹板PC梁一般采用单室截面。对于栗东桥(净宽16.5m),由于桥面较宽,主梁采用了单箱三室截面。在波形腹板PC梁中采用多室截面,这在世界上也是第一次。4桥塔结构设计部分斜拉桥由于桥塔较低,为发挥斜拉索的作用,斜拉索基本上采用扇形布置,为克服锚固点过于集中的问题,过去多在桥塔上布置采用索鞍,斜拉索穿过桥塔锚固于两边的主梁上。但这种做法施工时悬臂伸出的主梁要严格对称同步,调索也较复杂。日见桥与栗东桥由于跨径较大,桥塔有一定的高度,斜拉索直接锚固于桥塔上。为便于施工,桥塔内部锚固点的构造采用钢结构,外包混凝土形成钢-混凝土组合结构。这种桥塔结构,施工方便、养护费用低。两桥的桥墩均采用钢筋混凝土结构,大直径桩基础直接坐落在基岩上。日见桥与栗东桥,两者都跨过现有公路,因此在设计时十分注意结构的造型,主要是桥墩的造型。两桥的桥墩采用了束腰状(见图4)并通过装饰线来突出其曲线美。当然,桥墩束腰处截面的削弱导致抗剪能力下降对抗震的不利影响在设计中应予以考虑。栗东桥由于处于著名的风景区内,在桥墩上做了额外的装饰构造,以体现“桥梁在飞”的建筑设计思想。为保证桥墩设计中采用的淡黄色彩,进行了大量材料、浇筑与养护工艺等方面的试验。5主梁结构和斜拉索安装两座桥的施工方法基本相同:首先是基础与桥墩的施工;然后是桥塔与主梁0号块的施工;其后随着桥塔的升高,主梁采用悬臂浇筑不断伸出直至合龙。为便于施工和缩短工期,日见桥的主梁采用了宽箱结构(约9.0m),采用超大型特殊吊篮(10000kN·m级)悬臂施工。为保证耐久性,同时也便于现场施工,斜拉索采用预制索。桥塔的斜拉索锚固区采用工厂制作的钢结构,外包混凝土成为钢-混凝土组合塔柱。为加快施工进度,斜拉索像一般斜拉桥一样在塔顶直接锚固,而不是像其它的部分斜拉桥在塔顶穿过索鞍锚于另一侧的主梁上。6锚固点极限承载力试验由于波形钢腹板PC梁在部分斜拉桥上的应用是一种新的尝试,为保证桥梁质量,两桥均进行了1/2的模型试验,见图5。其中日见桥的模型中只有1根索,而栗东桥则考虑了2根索。试验主要考察主梁尤其是主梁上采用钢横隔板锚固点的受力性能。对于栗东桥同时还要考察多波形钢腹板多室箱的受力性能。试验中模拟实际施工顺序,先张拉外索和加施工荷载,再张拉斜拉索,最后在悬臂端施加集中力进行锚固点极限承载力的试验。日见桥的试验结果表明,模型结构最后因靠近桥墩处的顶板开裂、底板局部压碎以及波形腹板的局部屈曲而破坏,锚固点虽有裂纹产生,但并未破坏,因此锚固点的受力性能满足设计要求。7拉拔4座钢腹板桥我国正处于交通基础设施建设的高峰时期,各种各样的桥梁在我国得到了修建。近几年我国也修建了福建漳州战备大桥、同安银