双索面自锚式刚构桥设计

双索面自锚式刚构桥设计

1江苏广化桥工程概况江苏省常州广化桥位于南京市中心。它是常州中心通过京杭运河的三个重要南北通道之一。这也是调整江苏南部运河的最后一座桥梁。常州广化桥为双索面自锚式刚性索斜吊杆悬索桥,该桥于1999年1月开工,同年12月竣工,现已通车2年多。通车前的竣工荷载试验及2年多的实际运营情况表明:广化桥完全符合设计要求,该种桥型及诸多新材料、新技术在广化桥中的应用是成功的。本文就该桥的设计特点及有关的施工特点作一介绍。2工程条件和技术标准2.1青岛边缘海基底结构常州市年平均降水量为1000~1500mm,1月份平均温度0℃以下,7月份平均温度28℃左右,年平均气温为15~18℃,属亚热带气侯。最大洪水位4.69m(青岛高程),最低水位1.39m(青岛高程),最大风速20.3m/s,瞬时最大风速24.0m/s。本桥桥位处于苏南平原西北缘(长江三角洲),地形起伏不大。土层为常州地区正常土区,属长江三角州相沉积,主要为一套厚度很大的泥砂沉积。2.2地震区航道等级为四级航道,通航水位青岛高程3.6m,通航净空B=50m,H=6m。设计荷载:汽-20级,人群3.5kN/m2。结构抗震:6度地震区,按7度设防。车道布置:0.25m(栏杆)+2.75m(人行道)+1.0m(桁片)+18m(车行道)+1.0m(桁片)+2.75m(人行道)+0.25m(栏杆)=26m。纵断面:竖曲线R=1484m,两端接3%引桥纵坡。3预应力锚索桥组本桥的结构形式为双索面刚性索斜吊杆悬索桥,主缆及斜吊杆均采用钢管混凝土,内置钢绞线或粗钢筋作为力索。主缆为自锚式,塔梁固结,中跨车行道部分为钢-混凝土结合梁,边跨车行道部分为钢筋混凝土梁格,人行道梁为钢挑梁上搁置钢筋混凝土预制板形式,车行道与人行道通过主梁进行联结。恒载作用下,受力结构为柔性悬索桥,恒载通过吊杆粗钢筋传至主缆钢绞线。恒载安装完毕,在钢绞线粗钢筋外包钢管,泵送灌浆料,施加预应力,形成刚性桁架结构体系。总体布置见图1。3.1悬索垂跨比和边跨结构高跨比跨径布置:(17.5+54+17.5)m;桥宽:26m;斜交角度:12.15°;中跨悬索垂跨比:f/L=7.714m/54m=1/7;中跨结构高跨比:hc/lc=0.54m/54m=1/100;边跨结构高跨比:hs/ls=0.9m/17.5m=1/19.4;主缆钢管直径:450mm;吊杆钢管直径:300mm;塔柱钢管直径:900mm。3.2缆索与顶—主要构造主缆构造为ϕ450mm钢管,管壁厚l0mm,结点部分厚14mm,内穿高强度低松弛预应力钢绞线,标准强度1860MPa。主缆钢绞线分通长索与节间索两种,通长钢绞线又分恒载索与活载索两种,中跨恒载钢绞线为光面钢绞线,其余为无粘结钢绞线。结点内浇C60混凝土,钢管内泵送灌浆料,中跨通长索为32根ϕ15.24钢绞线,每过1个结点增加2或4根,塔顶处为56根。边跨通长索为40根,每过1个结点增加2根或4根,塔顶处为54根。缆索结点构造见图2。边跨与中跨钢绞线在塔顶处交叉锚固。顶结点构造见图3。吊杆构造为ϕ300mm钢管,管壁厚10mm,内穿冷拉Ⅳ级无粘结粗钢筋,直径为32mm或25mm,钢管内泵送灌浆料,吊杆内粗钢筋根数分别为1根、2根和4根。中跨主梁为钢箱梁,宽1m,高0.9m,腹板厚20mm,顶底板厚25mm,车行道结合梁的横梁腹板用高强螺栓与主箱梁联结,上下翼缘与主箱梁焊接。人行道钢挑梁与主箱梁焊接。吊杆通过锚箱锚固在主箱梁上,锚箱内浇灌C60混凝土。全桥钢箱梁共2根,每根长50.836m,在塔根处靠中跨侧与边跨主梁固结。边跨主梁为2根1.43m×1m的矩形梁,边跨主梁与斜吊杆钢管、人行道钢挑梁以及中跨主梁联结均采用预埋钢板焊接。4结构特征4.1预应力钢管混凝土桁架本桥的特点是恒载下结构体系是自锚式斜吊杆悬索桥,而在活载时转换为刚性索悬索桥,其结构体系相当于预应力钢管混凝土桁架。这种结构体系充分利用了高强度钢绞线抗拉性能好的特点,由钢绞线形成的柔性悬索桥来承担总荷载中的大部分荷载—恒载,同时又发挥了桁架结构刚度好的优点,克服了小跨悬索桥刚度差的缺点。整个结构既保持了悬索结构的优美线形,又解决了小跨斜吊杆悬索桥的刚度小及吊杆疲劳问题。4.2恒载时悬索桥钢管混凝土内置力索有2种作用:①作为恒载时悬索桥的缆索;②钢管混凝土形成后对混凝土施加预加应力,使钢管混凝土不仅能受压,也能受拉。4.3外缆及吊杆灌浆钢管混凝土是广泛采用的一种结构形式,混凝土是否密实对此种结构的性能好坏是十分关键的,规范中对钢管内混凝土采取锤击、超探等严格的检查措施,以确保灌浆密实。对于广化桥而言,由于主缆及吊杆都较纤细,分别为45cm及30cm,又有许多结点构造,混凝土的密实性难以保证。为此特采用了新型的材料:RG-1二次灌浆料,此种材料具有流动性好、无需振捣、强度高、微膨胀性等优点。由于灌浆料的应用,使施工方便、快捷,钢管内混凝土密实性好,在结构工程中值得推荐应用。4.4塔柱加稳定杆构造对于广化桥这种结构体系,索面的稳定性是很重要的。由于主缆及吊杆均为主要受拉杆件,不会发生失稳。塔柱由于受压,如果失稳将会引起整个桁片的失稳。所以塔柱的稳定性是最重要的。通常的做法是将2个塔柱通过横梁联结起来,形成门式框架,如诸多悬索桥中的塔柱造型。而本桥是小跨悬索桥,矢跨比决定塔柱的高度只有8m左右,而桥宽为18m,如果用横梁联结起来,无论从受力上还是从造型上都是不合适的。为了解决塔柱的稳定问题,设计了塔柱加稳定杆的构造。每隔2m用环箍与塔柱联在一起,以减小塔柱的自由长度。5施工特点5.1钢绞线及粗钢筋安装(1)下部结构施工,包括桩、承台、立柱。(2)边跨主梁及车行道梁格系在支架上现浇。(3)刚性主缆、吊杆及中跨主梁、车行道施工:架设钢梁;安装塔柱;将钢绞线穿入缆索结点及顶结点;将顶结点、缆索结点及钢绞线吊起横移就位固定于塔顶;安装塔柱稳定杆;安装边跨及中跨受拉吊杆粗钢筋;在顶结点处张拉边跨主缆钢绞线,使钢结构落架;安装人行道板,张拉中跨受拉吊杆的粗钢筋及主缆顶结点边跨钢绞线;浇注车行道桥面板混凝土;安装受压吊杆;钢绞线及粗钢筋外包钢管,泵送灌浆料,灌浆料达到设计强度后张拉钢绞线及粗钢筋。(4)附属设施施工,全桥完成。5.2结构施工控制本桥在施工阶段是一座悬索桥,所以采用了悬索结构的安装及控制技术。中跨主缆用无应力长度安装,边跨主缆考虑恒载逐级施加时要逐级张拉,安装时长度比无应力长度长,施工中用张拉力、伸长量和吊点几何位置控制,吊杆按张拉至无应力长度控制。由于进行了准确的施工控制计算以及实时监测反馈,最后成桥线形完全符合设计要求。形成主缆的钢绞线有两部分,一部分作为施工阶段悬索桥的主缆,另一部分则在混凝土形成后对钢管内混凝土施加预应力,所以这部分索为无粘结索,实桥中采用的是成品无粘结钢绞线。形成吊杆的粗钢筋则兼作施工阶段悬索桥的吊杆和使用阶段施加预应力之用,由于没有成品无粘结预应力粗钢筋,实桥中采用粗钢筋涂防腐油脂后