湘南地区大跨度斜拉桥总体设计

湘南地区大跨度斜拉桥总体设计

1主要技术指标湘潭湘江大桥位于湘潭区。这是一座横跨湘江的大型公路桥。这座桥的正桥是一座270米的倾斜桥，桥面宽度为24米。主梁是一个v形的梁，范围为133m-270m和133m。主塔是花瓶。两座主塔的基础是18根直径2.3m的钻孔桩和直径24.4m的低细胞。其主要技术指标如下:(1)桥面宽度:24m;(2)桥面纵坡:0.6%,竖曲线半径44668m;(3)设计荷载:汽超-20,挂-120验算,人群荷载3.5kN/m2;(4)设计车速:60km/h;(5)设计基本风速:25.9m/s;(6)地震设防烈度:小于6度。2主塔基础2.12地下工程桩灌注桩基础选择墩位处钻孔资料显示,标高23m处见风化岩,分别在标高10.5m处达微风化泥质粉砂岩。根据墩位处地质水文条件选定两墩基础采用18根Ø2.3m的钻孔灌注桩,桩长18.7m,嵌入基岩6.5m。承台采用低桩承台,承台为截头圆柱形,直径Ø24.4m,顺桥向宽16m,高5m,采用双壁钢围堰施工。2.22地下工程桩灌注桩基础选择墩位处钻孔资料显示,标高23m处见风化岩,分别在标高11.5m处达微风化泥质粉砂岩。根据墩位处地质水文条件选定两墩基础采用18根Ø2.3m的钻孔灌注桩,桩长17.7m,嵌入基岩6.5m。承台采用低桩承台,承台为截头圆柱形,直径Ø24.4m,顺桥向宽16m,高5m,采用双壁钢围堰施工。3主塔的设计3.1桥塔的形状该桥位于湘潭市区,为湘潭市内环线上的特大桥,景观非常重要,设计中对桥塔造型经过反复比较,最后选定花瓶形主塔,扇形平面索,造型美观大方,气势宏伟。该桥主塔高97.3m,桥面以上塔柱高72m,桥面以下塔柱高25.3m。桥塔横桥向采用花瓶形,顺桥向采用一字形,桥面以下设一道下横梁,桥面以上28m设一道上横梁,两道横梁将桥塔分为上、中、下塔柱三部分。上塔柱高40m,顺桥向宽6m,横桥向宽3.2m,塔柱为单箱单室矩形截面,上下等截面,顺桥向壁厚0.7m,横桥向壁厚1.2m;中塔柱高37m,顺桥向宽6m,横桥向宽3.2m,塔柱为单箱单室矩形截面,上下等截面,顺桥向壁厚0.8m,横桥向壁厚1.2m;下塔柱高20.3m,顺桥向宽6～7.8m,横桥向宽4.7m,塔柱为单箱单室矩形截面,上下变截面,顺桥向壁厚1m,横桥向壁厚1.2m,见图1。3.2桥塔结构截面的应力由于该桥跨度较大,边跨与中跨之比大,接近0.5,且下塔柱斜度大,主塔的强度和刚度至关重要,为此,设计采取如下措施:(1)由于塔和梁的相对刚度将影响到塔和梁的受力分配,为使塔梁刚度相协调,使塔、梁都达到一个较合理的受力状态,主塔断面经过几次改变,下塔柱由最初设计的实心非对称五边形截面改为实心矩形截面,经过仔细计算后,确定上、中、下塔柱均采用空心矩形截面,同时将中、上塔柱宽度由3m改为3.2m,以适当增大下塔柱整体刚度和中、上塔柱横桥向刚度。另一方面,对塔柱而言,受到竖向力及顺桥向和横桥向水平力作用,为双向偏心受压构件,计算表明外角点出现3.5MPa的拉应力或32.3MPa的压应力,超出C50砼的设计强度,因此,设计中将塔柱矩形截面的外角、内角增加倒角,形成截角矩形截面。塔柱采用这种截面形式,既消除了塔柱截面上的应力集中点,也有利于下塔柱分水导流,中、上塔柱减小风力,而且在造型上,上、中、下塔柱采用统一尺寸的外倒角,且中上塔柱截面外形尺寸一样,避免了单一线条,主塔外形为流线型,增强了美感。(2)考虑到塔柱传力的过渡,在承台上设计2m高的实心塔座;上横梁处的塔柱设6m的实心段,实心段内留80cm×120cm过人孔;下横梁处的塔柱设10.2m的实心段,实心段内留Ø70cm通气孔,在塔柱实心段与空心段交接处,以及塔柱与横梁连接处均设计有倒角,以减小应力集中。(3)塔梁连接方式:在26、27号墩主塔顺桥向、横桥向均设计限位阻尼支座,塔与主梁、桥墩的连接方式为塔、墩固结,塔、梁分离,桥塔处设置竖向活动支座,使作用于塔柱上的水平力均匀分布。空间计算结果表明以上对塔柱截面的调整以及桥塔结构上的处理是合理的,丛空间计算结果看,最大应力均出现在塔柱空心段与实心段交接处倒角的起始位置截面外缘短边倒角处。空间计算中、下塔柱最大应力如下:中塔柱最大应力出现在近下横梁处截面,最大主拉应力1.75MPa,最大主压应力7.35MPa;下塔柱最大应力也出现在近下横梁处截面,最大主拉应力2.39MPa,最大主压应力10.88MPa。可见,由于下塔柱斜度大,造成了中、下塔柱及下横梁交接部位受力不利。3.3拉索锚固区段塔柱内分布钢筋(1)由于上塔柱截面尺寸较小,该桥采用了交叉“U型”预应力束配置方式。(2)为抵抗拉索区巨大的拉应力及锚箱附近复杂应力,配合交叉“U型”预应力发挥更好的作用,拉索锚固区段塔柱内分布钢筋也采用了不同于中塔柱放射型的布置方式,即由平行和垂直于桥墩方向的分布钢筋加上平行于截面倒角的斜钢筋共同构成分布钢筋网,而且靠近锚箱处塔柱主钢筋也加密布置。足尺节段模型实验及实际结果表明,这种布筋方式效果非常好(见图2)。3.4下产品的拉应力下横梁高4m,宽6～6.2m,为单箱单室矩形截面,顶底板厚85cm,腹板厚70～80cm。由于下塔柱斜度大,斜拉索传递的巨大竖向力在下横梁上产生巨大的水平分力,加上支座传递的竖向力,使下横梁成为偏心受拉结构,为抵抗巨大的拉应力,下横梁配置36束19-Øj15.24和18束12-Øj15.24预应力钢绞线,支座下方直到塔柱,下横梁均设计成实心截面,以抵抗下横梁与桥塔结合部位的复杂应力及支座传递的竖向力。上横梁高4m,宽6m,采用单箱单室矩形截面,壁厚均为70cm。平面计算中上横梁为受压构件,空间计算结果显示,在横桥向风力作用下上横梁出现3.8MPa的拉应力,因此上横梁配置了32束12-Øj15.24预应力钢绞线。上、下横梁预应力钢绞线均锚固于主塔外侧壁上。3.5主塔钢筋连接主塔为钢筋砼结构,采用C50砼现浇,主塔竖向受力主钢筋均为Ø32mm钢筋,除下塔柱部分用锥螺纹连接外,其余全部采用等强直螺纹连