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第103期 宝鸡渭河自锚式悬索桥设计实践

2020-10-21 14:17
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【52监测网】第103期 宝鸡渭河自锚式悬索桥设计实践


52监测网专家报告分享-第103期

《宝鸡渭河自锚式悬索桥设计实践》
戴昌林 中国市政工程中南设计研究总院有限公司

目录

一、项目概况
二、总体布置
三、施工方案
四、计算分析
五、BIM应用

内容介绍

一、项目概括

项目为陕西宝鸡市跨渭河的一座特大桥


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:宝鸡植物园渭河大桥、宝鸡联盟路渭河大桥、宝鸡阳平渭河大桥。

桥位示意图

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。


联盟路渭河大桥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。

◇ 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

二、总体布置


◇ 桥型选择


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。

主桥跨径组合: (50+95+200+95+50)m

主梁型式及断面

加劲梁方案比选表


钢边箱主梁

钢加劲梁断面

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

锚跨砼梁立面

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。

锚跨梁跨中断面

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(钢梁侧,剪力钉未示)

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

主缆平面布置

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

索夹连接构造比选表


索夹与吊索


吊索采用预制平行钢丝束吊索,单根吊索由151丝直径5.0mm镀锌高强钢丝组成,标准抗拉强度1670Mpa。索夹采用上下对合型构造,ZG20Mn铸造而成。

索夹立面布置图

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

主索鞍立面

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


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

锚固系统立面

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。

◇ 桥塔方案


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


桥塔采用框架混凝土结构,桥面以上塔高约60m,塔柱采用单箱单室断面,塔柱及上横梁为钢筋混凝土构件,下横梁为A类预应力混凝土构件。

桥塔采用分离式基础,承台下方设12根直径2m钻孔灌注桩

主桥纵断面


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。

总体布置

采用空间双索面自锚式悬索桥,桥跨布置为50+95+200+95+50(m),全长490m,桥面总宽29m,其中主跨200m,边悬吊跨95m ,锚固跨50m ,主跨和悬吊跨采用钢边箱主梁断面形式,锚固跨采用混凝土箱梁断面形式;主缆采用二次抛物线线型布置,主缆矢跨比1:5,欧式风格混凝土桥塔,桥面以上桥塔高度70m。

桥面布置

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


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。

三、施工方案

桥塔施工:桥塔为混凝土结构,采用爬模法施工。
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。


◇ 缆索施工


采用先梁后缆施工
吊索分次张拉,张拉顺序由桥塔向两侧进行张拉,两端及上下游吊索同时、对称张拉。

四、计算分析

◇ 静力分析

总体静力计算模型

模拟方法:
采用空间有限元程序Bnlas计算,Midas校核
主缆、吊杆采用索单元模拟,加劲梁采用梁单元模拟,考虑施工及运营状态
主缆几何非线性影响,缆、鞍、塔之间不相互滑动,主缆锚固于锚跨梁段。

目标:
主缆各理论点的里程和标高达到设计要求、主塔无偏位、加劲梁线形为设计线形,各构件强度满足规范。

分析结果:满足规范要求。
①活载作用下,主梁最大向下挠度为-0.329m,最大向上挠度为0.149m,挠跨比为1/606,满足规范规定要求。
②基本组合下,钢梁最大压应力201.1Mpa,最大拉应力-75.3Mpa,满足规范要求。
③主缆轴力安全系数:K=67516.5/24479.2=2.76>2.5,满足规范要求。
④ 吊索应力安全系数: K=1670/462.35=3.6>3.0 ,满足规范要求。
⑤索夹满足抗滑系数大于3.0,索夹强度安全系数大于3.0的要求。
⑥散索套抗滑移满足大于2.0的要求。
⑦索鞍鞍槽内的抗滑安全系数满足不小于2.0的要求。

◇ 实体分析

主缆锚固段精细化实体分析模型

分析结果:
在标准组合下,砼锚梁各腹板的纵向正应力(压应力)不大于10Mpa,由于结合段横梁横向刚度较大,各腹板的传力比较均匀。由于结合面至锚跨横梁截面变高的缘故,正应力也逐渐减小。

◇ 动力特性分析

主桥成桥状态计算图式

梁、塔、墩和桩基采用梁单元模拟,主缆和吊杆采用索单元模拟,主缆及吊杆刚度考虑恒载作用下几何刚度的修正,桩基采用“m”法土弹簧模拟。

成桥状态结构动力特性


◇ 抗风分析

本桥桥址处的地表类别为B类,主梁基准高度约为18m,主塔基准高度58m。
施工阶段、成桥状态中主塔、主梁颤振临界风速由主梁控制设计
成桥状态主梁颤振检验风速[Vcr]=46.1m/s,施工阶段主梁颤振检验风速[Vcr]= 38.8m/s。

成桥状态下主梁颤振临界风速表


从表中可以看出:成桥状态主梁弯扭耦合颤振Vcr1和分离流扭转颤振Vcr2临界风速均大于主梁颤振检验风速,抗风安全性能满足要求。

◇ 抗震设计

主桥抗震设防标准及性能目标


减隔震设计: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。并进行非线性时程分析。

双曲面球型摩擦摆支座动力设计参数(单个支座)


单个阻尼器参数


E2地震作用下主梁的地震位移响应


结论:
在E1地震作用下,边墩、锚墩、主塔和桩基最不利截面弯矩均小于截面初始屈服弯矩,均保持在弹性范围之内,满足抗震性能要求。

在E2地震作用下,边墩、锚墩、主塔和桩基最不利截面弯矩安全系数均大于1,说明边墩、锚墩、主塔和桩基只发生可修复损伤,满足抗震性能要求。

五、BIM应用

BIM软件采用Autodesk Revit对桥梁外形,配筋及桥位进行设计建模。


◇ 构建模型


◇ 碰撞检查


◇ 构造检查


引桥第五联混凝土箱梁支座底部标高与墩顶相差1.4m


第六联梁面宽度29m,第七联梁面宽度26.04m,而第六,七联人行道宽度为3m;无法进行人行道的连接。


利用Revit可以对每个构件提取坐标和高程。


结束语:
陕西宝鸡联盟路渭河大桥,于2017年10月开工建设,目前主体结构已施工完毕,正进行缆索系统施工,预计于2019年7月建成通车。该桥采用自锚式空间缆索结构,欧式桥塔,桥型优美、典雅大方,建成后将成为宝鸡市地标式建筑,也为今后类似桥梁的设计及施工提供借鉴与参考。

(注:陕西宝鸡联盟路渭河大桥,已于2019年9月30日正式开通)

《宝鸡渭河自锚式悬索桥设计实践》
戴昌林 中国市政工程中南设计研究总院有限公司

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