[分享]宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计

发表于2021-04-06     688人浏览     1人跟帖     总热度:767  



项目为陕西宝鸡市跨渭河的一座特大桥
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_1
目前,宝鸡市区过渭河通道间距大,导致南北两岸之间绕行距离长,关键节点拥堵严重,无法满足交通需求。因此增加连接渭河南北的新通道十分必要。增建新通道:室鸡植物园渭河大桥、宝鸡联盟路渭河大桥、宝鸡阳平渭河大桥。
桥位示意
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_2
联盟路渭河大桥位于宝鸡市中心城区石鼓山风景区附近,是沟通渭河南北两岸的重要通道,桥位位于现状金渭大桥与石鼓隧道之间。南起渭滨大道与石鼓西路交叉口,北至陈仓园二路以北落地;桥梁全长1.225Km,跨越渭河河道,两侧设引桥。
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_3
场地自然条件
气象
中纬度大陆季风区域暖温带半湿润、半干旱气候,季风盛行,四季分明。年平均气温为12.8℃。
地形、地貌
受构造断裂控制,宝鸡形成南北隆起、中间低平、西窄东宽的河谷断陷盆地景观。
区域地质构造
东西向断裂大体以渭河为界,以北的断裂向南陡倾斜,以南断裂向北陡倾斜,构成了阶梯状下降的复式地堑盆地。
场地、地震
场地地基土类型属中硬土,场地类别为Ⅱ类;地震动反应谱特征周期为0.40s,地震动峰值加速度为0.20g,地震基本烈度8度。
技术标准
(1)道路等级:城市主干路
(2)设计车道:双向四车道+非机车道+人行道
(3)设计速度:60km/h
(4)荷载等级:机动车道:城-A级
                 非机车道:城-B级
                 人群荷载:3.5KN/m2
(5)防洪标准:1/100,洪水流量6970m3/s;不通航
(6)地震烈度:基本烈度8度,动峰值加速度0.20g,设防类别甲类
(7)基本风速:重现期100年10m高10分钟平均最大风速26.3m/s

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桥型选择
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自锚式悬索桥相对传统地锚式悬索桥,保留了优美轻盈的线型特点,同时又无需大体积锚碇结构,是一种能够自平衡的桥梁结构形式,这种桥型可很好地满足桥梁景观需求,同时也可节省工程造价和建筑用地,具有很好的竞争力。
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_6
桥梁位于宝鸡市石鼓山风景区附近,对景观要求高,按照建设方“一桥一景”的要求,力争打造宝鸡市地标式建筑,经方案比选,采用自锚式悬索桥。
自锚式悬索桥主跨和悬吊跨范围内的荷载均通过主缆传递至锚固跨,主缆竖向分力与锚固跨恒载自重相互平衡,而锚固跨混凝土梁跨度又受到结构受力和经济性制约,因此,自锚式悬索桥主跨跨度存在一个经济合理的限值,目前,自锚式悬索桥多用于300m以内跨径。

宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_7
主桥跨径组合:(50+95+200+95+50)m

渭河为季节性河流,具有摆动性河槽的特征,桥址处河岸之间距离约500m,下游有人行廊桥一座,为跨径60m的多跨连续梁,从泄洪角度,按照防洪部门要求,河道中、桥梁跨径不得小于50m,新建桥梁主跨径相对人行廊桥应采用单孔对多孔的形式,从景观角度,本桥位于宝鸡市石鼓山景区附近,建议方对本桥的景观提出了很高的要求,将着力打造为宝鸡市地标式建筑,因此本桥的主跨跨径不宜过小,从边中跨之比的角度,锚固跨与悬吊跨、悬吊跨与主跨跨径之比在0.5左右、不仅结构受力合理,而且跨径布置层次感强,景观效果好,经综合考量,主跨径最终确定为200m,由此确定跨径组合为(50+95+200+95+50)m。
主梁型式及断面
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自锚式悬索桥加劲梁主要有混凝土梁、叠合梁、钢箱梁(包括钢边箱主梁)三种结构型式。
☞混凝土梁主要用在小跨径悬索桥上,其自重大,对抗风稳定性有利,一般采用满堂支架、现浇法施工工艺,工序多、工期长,质量不易控制,后期吊索张拉阶段混凝土容易开裂,对吊索张拉工艺要求高,同时,由于混凝土梁自重大,在一定程度上增加了缆索系统的负担,增加了桥塔和基础的规模,总体优势并不突出。
☞钢箱梁、钢边箱主梁和叠合梁均可用于大跨径悬索桥,是可以厂内预制、现场拼装的结构形式,对于预制构件,由厂内到现场,运输是必须考虑的控制因素。本桥桥址处常水位较低,完全不具备水运条件,只能采用公路运输,根据公路运输条件限制,构件最长不宜超出15m,最宽不宜超出3.5m,钢箱梁作为整体箱室,尺寸大,无法一次运输,需在厂内分割为小块件,现场焊接量大,焊缝质量不易保证,且对抗疲劳性能不利,因此整体钢箱梁并非最佳选择。
☞叠合梁桥面铺装耐久性好,但同样存在桥面板自重大,会在一定程度上增加缆索系统、桥塔和基础的负担,且桥面板需专门的预制厂,前期投入大,综合造价并不经济,桥面板块之间湿接缝数量较多,施工工序相应增加,工期长,后期吊索张拉时桥面板容易开裂,施工难度大、风险高。
☞钢边箱主梁自重较轻,经济性好。主梁可分件运输,除桥面板外均可采用螺栓连接,现场焊接部位少,吊索张拉控制因素少,成桥质量好,施工速度快,可满足抗风性能要求,桥面采用浇筑式沥青铺装,可解决传统钢桥面铺装耐久性差的问题。
经综合比选,主跨采用钢边箱主梁、锚跨采用预应力混凝土梁。
本桥桥面较宽,为减小吊索横梁跨度,优化梁高,节省材料,断面布置时、将人行道置于吊索外侧,实现人行道和车行道完全分离,这也大大提高了行人行走时的安全性。由于吊索在梁上的锚固点与塔柱中心不重合,本桥主缆为上部张开的空间缆索结构,吊索平均外倾角度2.4度。
钢边箱主梁
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_9钢加劲梁由箱型边主梁、挑臂、横梁及正交异性桥面板构成边主梁横向间距18.2m宽2m,挑臂长4.5m,纵向间距1.5m,横梁采用倒T断面,纵向间距3m,横梁与挑臂对齐布置,桥面板由纵肋加劲,与横梁腹板一起组成正交异性结构,材质均为Q345qD。
锚跨梁
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主缆后锚点横桥向距桥梁中心10.9m,主缆力考虑按35o扩散,为保证主缆力扩散后结合面受力均匀,结合面设于距锚墩中心16m。
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_11
锚跨梁采用全预应力结构,跨径50m,单箱六室断面,标准梁高3m,在锚室位置梁高加高至5m,锚室分前锚室、锚固横梁、后锚室。
钢混结合面处主要以承受剪力、轴力为主,弯矩数值相对较小,为保证结合面可靠连接,在结合面处设置一块60mm厚钢板,用以满足混凝土梁与钢梁之间应力的扩散传递,在厚钢板内侧设置剪力钉,用来传递两者之间的剪力差,为增强整体性,钢梁腹板深入混凝土梁内部一段长度,通过设剪力钉以及开设PBL键进行联结,同时在混凝土梁顶、底板及腹板内设纵向预应力,并锚固在承压钢板侧,以此来抵抗结合面弯矩产生的拉应力效应。
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_12
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_13
边主梁内侧腹板处剖面
采用直接承压板构造
承压板:满足轴力的扩散传递
剪力钉:传递剪力差
预应力:抵抗弯矩,保证密贴
为增强整体性,钢梁内腹板深入混凝土梁内部。
主缆方案
悬索桥竖向刚度由加劲梁刚度和主缆重力刚度组成,主缆矢跨比是反映其重力刚度的指标之一,自锚式悬索桥主缆矢跨比一般在1/4~1/8之间,在相同的恒载集度下,矢跨比大的重力刚度小,矢跨比小则重力刚度大, 本桥加劲梁采用钢边箱主梁形式,梁体刚度大,主缆矢跨比无需取最小值,为获得突出的主缆曲线线型,充分体现悬索桥轻盈柔和之美,综合考量,主缆矢跨比取1/5。
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_14
主缆采用61φ5.1mm镀锌高强钢丝,每根主缆由19股组成。主缆采用预制平行索股(PPWS)法制作,相对空中纺丝(AS)法,钢丝束受力均匀性更好。
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主缆断面
主缆矢跨比为1/5,空间线型,PPWS法施工,单根主缆由19股索股组成,每股由61丝直径为5.3mm的镀锌高强度钢丝组成,标准抗拉强度1770Mpa,断面排列为正六边形,断面孔隙率按20%(18%) 。
索夹选择
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根据需要,分为有索索夹、无索索夹(紧缆索夹)两种类型。
图中:SJ1-SJ5为有索索夹,SJ6、SJ7为紧缆索夹。
索鞍
为调节施工阶段桥塔弯矩,空缆状态下主索鞍向边跨侧设置507mm预偏量,施工期间根据施工进程和桥塔弯矩值分三次向中跨顶推。
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_19
主索鞍采用全铸式肋结构,ZG270-480H铸钢铸造而成,单个索鞍总重约40t,由鞍体和座板组成为降低运输、吊装重量,鞍体分为两半构造,待起吊至塔顶调整好标高后用高强度螺栓连接成整体。主索鞍向边跨预偏量507mm,最大顶推力300t,分三次顶推到位。


散索套
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散索套由ZG270-480H铸造而成,采用上下对合型结构,用高强螺杆连接紧固,前段发挥摩阻套箍作用,后段发挥散索套箍作用。
施工过程中散索套处主缆竖向变位大,为防止空缆与锚室顶板开口处相碰,避免锚室顶板纵向开孔过大,在散索套下方设临时支撑。


主缆锚固
宝鸡渭河自锚式悬索桥总体设计_21锚固系统立面
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在锚墩处设置前锚室、混凝土锚体、后锚室。主缆束股经散索套分散为单股后直接穿过锚体锚固在后锚室端面上索股锚头采用套筒式热铸锚这种锚固方式传力明确,方便维护检修。锚室内设置除湿机为防止空缆与锚室顶板开口处相碰,避免锚室顶板纵向开孔过大,在散索套下方设临时支撑。


桥塔方案
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方案一:欧式风格,外观略显繁琐,“头重脚轻”,塔柱不满足抗震要求
方案二:欧式风格,外观构造繁琐、复杂
方案三:欧式风格,哥特式建筑,外观简洁、典雅大方
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主桥起点桩号K0+594m,终点桩号K1+084,总长490m。平面位于直线上,最大纵坡1.2%,竖曲线最小半径R5000m。
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桥面布置
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桥面总宽度29m,桥面布置:
3m(人行道)+1m(索区)+0.5m(防撞护栏)+20m(非机车道+车行道
+非机车道)+0.5m(防撞护栏)+1m(索区)+3m(人行道)
桥塔处设人行饶塔平台,桥面以上塔高60m


结构体系
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采用自锚式悬索桥,半漂浮约束体系
跨度布置(50+95+200+95+50)m主桥长490m,主梁采用混合梁结构,其中主跨、边悬吊跨为钢梁,锚跨为预应力混凝土梁。
除各墩墩顶处设置可纵向活动的竖向支座外,为减小日常行车情况下的纵向位移,以及在风载、地震荷载作用下耗能的需要,在桥塔处梁底、设纵向液压阻尼器,同时为减小梁体横向位移、防止地震作用下落梁,在塔柱内侧及辅助墩、过渡墩墩顶均设置横向限位装置。

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桥塔施工:桥塔为混凝土结构,采用爬模法施工。
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锚跨混凝土梁采用支架现浇法施工,钢边箱主梁采用整体(除两侧挑臂)滑移法施工。
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渭河为季节性河流,平时水位较低,可适当搭设少量支架,为节省工期,提高施工方案的操作安全性,经研究、加劲梁采用滑移法施工,滑移方向由联盟路向石鼓路方向,由于加劲梁在滑移过程中需经过桥塔,因此加劲梁外侧挑臂、需待加劲梁滑移到位后再行安装,此种滑移法施工操作简便,周期短,同时也避免了顶推法顶推就位后,加劲梁(顶推时为大跨连续梁状态)在有应力状态下安装外侧挑臂,对最终受力不利和影响安装精度。
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吊索张拉顺序由桥塔向两侧进行,两塔处吊索同时张拉;为合理控制施工期间桥塔弯矩,在主缆空缆状态下,将主索鞍向边跨侧预偏507mm,在吊索张拉、桥面铺装等分项施工过程中,分3次向跨中一侧顶推主索鞍,成桥时保证主索鞍和桥塔中心对齐,从而获得合理的受力状态和成桥线型。

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静力分析
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实体分析
主缆锚固区受力复杂,为保证局部受力安全,对这部分结构进行了精细化实体模型分析。
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动力特性分析
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抗震设计
本桥为自锚式悬索桥,自平衡体系,整个结构为统一整体,地震响应特性不同于地锚式悬索桥,且桥址处地震烈度高,抗震性能研究为设计的关键内容之一。抗震设计采用基于结构性能的抗震设计思想,两水准设防。地震反应计算采用反应谱和时程分析两种方法。
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抗震设计
本桥为自锚式悬索桥,自平衡体系,整个结构为统一整体,地震响应特性不同于地锚式悬索桥,且桥址处地震烈度高,抗震性能研究为设计的关键内容之一。抗震设计采用基于结构性能的抗震设计思想,两水准设防。地震反应计算采用反应谱和时程分析两种方法。
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根据反应谱计算结果,在地震作用下,各主要构件地震响应非常大,为降低结构地震响应和主梁纵向位移,本桥采用减隔震设计,具体方案为在边墩和锚墩位置设置双曲面摩擦摆、减隔震支座,在主塔位置设置纵向粘滞阻尼器,并对结构进行非线性时程分析计算。
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通过抗震计算分析,在两水准地震设防下,桥塔及基础可以保持弹性工作状态,不作为耗能构件使用,支座在一水准地震下可正常工作,在两水准地震下进入塑性,起到耗能作用,桥梁纵向需安装4个粘滞性阻尼器,可有效减小地震作用下加劲梁及支座纵向位移,经对不同阻尼参数效果的综合比较,最终确定阻尼最佳参数。此外,为提高结构延性,增强抗震性能,适当增加了塔墩及桩基配筋率(包括箍筋)。
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BIM软件采用Autodesk Revit对桥梁外形,配筋及桥位进行设计建模。
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构件模型
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碰撞检查
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构造检查
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来源: IBTC桥隧大会
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 发表于2021-04-06   |  只看该作者      

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自锚式悬索桥总体设计~

工程郎123

北京 门头沟区 | 路桥市政

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