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国内首座独柱分离式主梁钢塔斜拉桥

2019-3-27 16:23| 查看: 240| 评论: 0

  浦仪公路西段上坝大桥位于南京市江北新区,大桥跨越长江八卦洲夹江,主桥采用主跨500m的独柱钢塔钢箱梁斜拉桥,是国内首座独柱分离式主梁钢塔斜拉桥。主桥桥面总宽54.4m,是长江上最宽的桥梁之一。两个独柱钢塔,从两幅桥面之间穿过,塔高166m,空间双索面全漂浮体系。
  浦仪公路位于南京市江北新区,起点位于G104与江北大道相交的浦泗立交,向东北两次跨越八卦洲夹江,经南京化工园、六合瓜埠镇南,接绕越高速公路(南京长江四桥接线),全长约28公里。其中,起点到南京二桥段是项目的西段,全长11.50公里,功能定位为普通国省道兼顾城市快速路,采用一级公路建设标准,建成后将与南京二桥、绕城公路、南京五桥、江北大道形成南京公路一环。

图1 浦仪公路西段在路网中的定位
  浦仪公路西段上坝大桥跨越长江八卦洲左侧夹江,大堤间距约2100m,大桥由西跨堤桥、西引桥、主桥、东引桥、东跨堤桥组成,其中主桥采用(50+180+500+180+50)m独柱形钢塔双索面钢箱梁斜拉桥,西、东跨堤桥分别为100m主跨和80m主跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥,东西引桥为50m跨径等截面混凝土连续箱梁桥。全桥总体布置如图2所示。

图2 浦仪公路西段上坝大桥总体布置图(单位:m)
  主要技术标准——
  1.道路等级:双向六车道一级公路,兼具城市快速路功能。
  2.设计速度:100km/h。
  3.荷载标准:公路—I级;人非荷载2.5KN/m2。
  4.桥面宽度:主桥标准横断面总宽54.4m。钢箱梁断面分幅布置在索塔两侧,外侧设置行人与非机动车道。上坝大桥引桥标准横断面总宽40.3+Lm。人非系统标准横断面全宽4.0m。
  5.环境类别:I类。
  6.桥涵设计洪水频率:1/300。
  7.抗震设防标准:主桥P1水准地震重现期取500年,地表水平地震加速度0.134g,P2水准地震重现期取2000年,地表水平加速度0.215g;引桥P1水准地震重现期取100年,地表水平加速度0.078g;P2水准地震重现期取2000年,地表水平加速度0.209g。
  8.航道等级:桥梁通航净高不小于32m,双向通航净空宽度不小于328m。
  9.船撞力:西侧过渡墩、辅助墩防撞船型为10000吨级(压载),西侧主墩为10000吨级,东侧主墩为3000吨级。
  10.基本风速:根据《公路桥梁抗风设计规范JTG/T D60-01-2004》及抗风专题研究报告,取28.9m/s。

  总体设计
  桥型方案
  根据通航要求、河工模型试验结果和水利部门的意见,本桥主跨不宜小于500m。由于江面宽约2000m,对于主跨500m的桥梁,斜拉桥和拱桥可满足本项目的建设条件,但是对于主跨500m的拱桥,已经是超大跨度了,技术难度、施工风险和工期风险很大,因此采用斜拉桥方案。对于索塔材料,采用混凝土塔或钢塔都是可行的。混凝土塔结构尺寸较大、重量大、施工速度较慢,而钢塔结构尺寸较小、重量轻、节段工厂化制作、施工速度快,较混凝土塔缩短工期6个月以上、质量易控制。虽然钢塔总体造价较混凝土塔有一定增加,但基础工程量较混凝土塔基础有所减少,基础部分造价略降。根据对本项目特点和具体建设条件的研究,为保证工期,最终采用可以大量工厂化制造、施工速度快的钢塔钢箱梁斜拉桥方案。
  在桥跨布置上,由于桥位处深槽偏右岸,设计中将一个主墩设在右岸(八卦洲侧)水边,另一个主墩设在浅水中。主桥为双塔双索面钢塔钢箱梁斜拉桥,采用全漂浮体系,桥跨布置为(50+180+500+180+50)m,见图2。
  塔形方案
  由于本桥位于城市边缘,距长江边的幕燕风光带较近,在景观方面有较高的要求,而斜拉桥的塔形对全桥景观效果起着至关重要的作用。斜拉桥典型桥塔形式主要是 H形、钻石形或人字形,以及独柱形塔。双塔斜拉桥桥面以上索塔的高度与主跨跨径之比宜为1/4~1/6,则本桥桥面以上塔高在83~125m之间。考虑到空间索面桥面上建筑限界净空因素,并为使全桥有高耸、挺拔的景观效果,桥面以上宜取较高值。而桥面以下,通航净高要求在最高通航水位以上不小于32m,则下塔柱高度约为45m,全塔高度约为160~170m。
  对于常规的H形和钻石形塔,由于下塔柱高度相对较矮,桥面又有人非系统,索塔易显得矮胖,景观效果相对略差。而独柱塔外观简洁挺拔,个性鲜明,尤其是对宽桥有很好的适应性,能取得较好的景观效果,且独柱钢塔斜拉桥在国内尚无先例,塔形无雷同,给人耳目一新的感觉。在受力方面,独柱钢塔施工阶段抗风稳定性较差,但在成桥阶段,塔柱受四根拉索不同角度对称张拉,抗风稳定性优于H形塔。在工期方面,独柱塔吊装块件最少,工期最省。造价方面,独柱塔少了一个塔肢,用钢量最少,虽然增加了两幅主梁间横梁用钢量,但钢塔的综合单价比钢箱梁高,独柱塔造价最低。因此本桥虽为双塔斜拉桥,但每个索塔采用独柱结构的钢塔。
  采用独柱钢塔,主梁如仍旧是整体断面,桥面须在索塔处开孔使塔柱穿过,桥面部分有较大的浪费。由于本桥设置有人非系统,双向六车道一级公路标准断面宽度33.0m,主桥两侧另设4.0m的人非宽度,不含锚索区及风嘴,桥面宽度已达41m。采用独柱塔,塔柱在主梁处的截面尺寸约8~10m宽,两幅主梁将拉开或开孔10m左右,桥面总宽将达到55m左右(含锚索区和风嘴),主梁宜采用分离式钢箱梁。本桥采用左右两幅分离式钢箱梁断面,两幅梁之间用箱形钢横梁连接,可以减轻主梁自重,减少钢材用量。另外,拉索从独柱钢塔上拉到主梁两侧机动车道外侧,形成空间双索面,人非系统悬挑于拉索之外,行人与非机动车视野开阔,整个斜拉桥的塔、梁、索、横梁骨架清晰,立体感分明,有较强的美感。独柱钢塔见图3。

图3 索塔构造图(单位:cm)
  独柱钢塔由于桥面以上塔柱截面尺寸较小,而且钢结构阻尼比小,易产生风振问题。对于矩形塔柱这种细长的钝体断面,可能发生的风振是驰振、涡振及抖振。通过数值风洞试验和模型试验,证明本桥独柱塔无驰振这一发散的危险性振动,但在特定风速下,在桥塔自立状态(即塔柱施工完挂斜拉索之前),可能产生较大振幅的涡激共振。进一步的风洞试验研究表明,通过提高独柱钢塔的阻尼比,可以有效地减小涡振振幅。我国公路桥梁抗风设计规范中,钢结构的阻尼比为0.5%,但实测的国内泰州大桥钢中塔及日本的许多钢塔,阻尼比均小于0.5%。日本规范建议对不同的振动频率,采用不同的阻尼比。本桥钢塔的特征振动频率为0.23Hz,对应此频率日本规范建议采用0.15%的阻尼比较合适。模型试验中,对钢塔阻尼比分别为0.1%、0.25%、0.5%、1.0%、1.2%都进行了风洞试验。结果表明,当阻尼比为1%时,涡振振幅小于10cm;当阻尼比为1.2%时,已无涡振现象。在桥塔自立状态时,通过增设TMD的措施来提升结构阻尼比,以抑制涡激共振和抖振振幅,当设置30吨TMD时,钢塔阻尼比可达到1.2%。因此,设计采用在塔顶设置TMD 的方法来解决钢塔涡振问题。
  结构支承体系
  由于采用独柱钢塔,为保证景观效果,索塔在主梁处不设下横梁,上部结构采用纵向漂浮体系,索塔与两侧钢箱梁之间设置横向抗风支座约束横向位移,不设竖向支座。索塔与中跨和边跨的第一道横梁之间各设置2个纵向黏滞阻尼器(每个索塔4个),以改善结构的动力响应、控制纵向位移,单个阻尼的阻尼系数为1000、速度指数为0.4。黏滞阻尼器对脉动风、刹车和地震引起的动荷载具有阻尼耗能作用,而对温度和汽车引起的缓慢位移无约束。当由静风、温度和汽车引起的塔梁相对纵向位移,在阻尼器设计行程以内时,不约束主梁运动。
  过渡墩及辅助墩处设置纵向滑动拉拔支座,并限制横向位移。辅助墩与主梁底部之间设置纵向限位挡块,以限制主梁的风荷载位移。主桥约束体系概要汇总于表1。

  主桥结构设计
  索塔设计
  (1)索塔主要构造
  索塔为独柱形钢塔,塔高166.0m,主梁以上索塔高度为130.693m。索塔采用切角矩形断面,单箱多室布置,由四周壁板和三道腹板(一道横腹板和两道纵腹板)构成。为了减小塔柱截面风阻系数,改善涡振性能,设置尺寸为0.8m×0.8m的切角,将截面进行钝化。塔柱桥面以上基本为等截面,断面尺寸为6.0m(横桥向)×6.5m(顺桥向),自桥面以上开始向下圆弧渐变,至底部断面16.0m(横桥向)×9.5m(顺桥向)。
  塔柱壁板和腹板厚度根据计算分析采用44mm和50mm两种,全塔采用板式加劲肋,横隔板的间距为1.6~3.8m。为方便维修人员通行,在塔柱内设置电梯通道及人行爬梯通道。塔柱腹板上设若干人孔,可供维修人员从桥面部位进入塔内,以及在塔内部各个室之间可相互穿越。

图4 索塔一般断面和塔底断面图(单位:mm)
  (2)索塔节段划分与连接
  塔柱共划分为19个节段,为缩短塔柱架设工期,塔柱节段间采用栓接接头。T1~T5节段采用浮吊吊装,其余节段采用塔吊安装。为减少塔柱节段间拼接缝数量对景观效果的影响,在起吊重量不变的前提下,对塔柱节段采取了竖向分块的设计,竖向拼缝通过耳板设在塔柱内部。考虑到索塔安装中误差的调整,在浮吊架设的J1~J4和锚索区下方J10接口,设置了调整接头。
  (3)拉索在塔上的锚固方式
  拉索在塔上的锚固如采用钢锚箱,则塔柱壁板和内外侧腹板均受较大水平力,不利于竖向分块的螺栓连接。而采用钢锚梁,锚梁平衡了恒载拉索水平力,塔柱壁板和腹板受力很小,有利于简少竖向螺栓拼缝, 且构造上,拉索锚固区用钢量相近,锚梁只多了中间梁的部分,全桥一共增加钢材130吨。另外,锚箱必须与塔柱一起在工厂制作后整体吊装,锚梁可与塔柱分开吊装,可减轻吊重8~10吨。因此从受力和安装角度考虑,本桥采用锚梁方案。锚梁构造见图5。

图5 锚梁构造图(单位:mm)
  (4)塔底连接
  钢塔底部与混凝土承台的连接,采用高强螺杆的锚固方案,塔柱根部的压应力主要通过塔柱底板传递到承台混凝土中,而拉应力则通过锚固螺杆传递到基础中。由于索塔在成桥后,除裸塔和地震工况外,塔柱基本不出现拉应力,预拉力的数值根据最不利工作状态下,塔底截面无拉力出现状况(底板不出现缝隙)来控制。
  钢箱梁设计
  (1)横断面设计
  主桥标准横断面总宽54.4m,钢箱梁断面分幅布置在索塔两侧,外腹板外侧设置行人与非机动车道,单幅箱梁(含人非系统挑臂)宽22.05m。分幅式箱梁具有良好的颤振稳定性能,根据主梁节段模型风洞试验表明,颤振临界风速均大于120m/s,满足颤振稳定性检验要求。钢箱梁标准横断面见图6。

图6 钢箱梁标准横断面(单位:mm)
  (2)梁段划分与构造
  考虑构造及施工架设等因素,主梁划分为67个梁段,均采用全断面焊接方式。主梁节段标准长度16m、边跨尾索区节段标准长度为9.6m。中跨标准梁段采用桥面吊机施工,边跨标准梁段采用高支架存梁施工,标准梁段起吊重量约391t,特殊梁段最大起吊重量约495t。
  顶板采用16mm钢板,横向近外腹板锚索区采用20mm板厚,U肋厚8mm。底板根据受力需要,不同区段采用14~28mm四种不同的钢板厚度,底板U肋分6mm和8mm两种。为提高横隔板的整体受力性能、有利于保障桥面板刚度,横隔板采用整体式,横隔板标准间距为3.2m。两幅钢箱梁在拉索对应位置,采用中间箱形横梁连接,箱形横梁宽度为横隔板间距。为设置塔梁间的纵向阻尼器及施工阶段塔梁的临时纵向约束,在近塔处B梁段增设一道横梁。标准横梁顶底板厚20mm,腹板厚16mm,B梁段连接阻尼的横梁腹板加厚至30mm。
  索梁锚固构造采用锚箱,锚箱构造分成了M1~M3共三种类型。
  (3)人非系统挑臂
  人非系统挑臂由顶板及挑臂板组成,顶板厚14mm,采用U形加劲肋,在靠近端部及腹板处采用板肋。挑臂板厚12mm,下翼缘板厚14mm。伸缩缝处挑臂板加厚至20mm。
  (4)压重构造
  为确保在正常运营荷载下,过渡墩及辅助墩不出现上拔力,在桥墩附近钢箱梁内施加压重。过渡墩、辅助墩墩顶压重区域单幅为170kN/m(局部120kN/m),全桥共计混凝土压重材料1220m3。压重采用底板钢槽放置重混凝土块方式,混凝土容重要求达到35kN/m3。

图7 钢箱梁压重布置示意图
  斜拉索设计
  采用1860MPa平行钢丝斜拉索,全桥共4×16×2=128根斜拉索,最长274m,最大规格为PES7-283,单根最大重量为25.7t。
  下部结构设计
  根据索塔所处位置的地形、地质、水文和环境等自然因素以及地层情况,设计采用群桩基础,每个索塔承台下共18根桩,单桩直径为φ2.8m;索塔承台顶设置锥形塔座,塔座厚3.5m,承台厚6.0m。辅助墩和过渡墩基础,均采用群桩基础,单桩直径为φ2.2m。 西主墩和西边墩位于水中,均进行了防船撞设计。

  全桥BIM正向出图设计
  上坝大桥主桥钢箱梁及钢塔构件众多,并且塔柱下段是双向曲面结构,局部构造复杂,对加工制造的要求也高。若采用传统的平面、立面和侧面三视图的设计方法,塔柱内的许多曲面构造无法表达,对设计师的要求很高。另外塔柱节段、钢锚箱构造复杂,板件数量多,制图工作量大,而且在设计过程中不容易发现细部构造的问题,比如焊接空间以及局部碰撞问题。
  为解决上述问题,在本项目设计中,在国内大跨桥梁设计中,首次采用了全桥三维BIM正向设计技术。 所谓正向设计,是相对于过去的BIM翻模设计而言的。以前的BIM设计,一般是先完成三视图设计,根据设计图纸,建立BIM模型。而本桥采用的是“先建模,后出图”的设计方式,即不经过传统的三视图出图阶段,直接利用Catia软件建立桥梁结构的三维模型,然后根据出图需要,进行二维平、立、侧面投影出图。正向设计可将BIM三维模型与二维三视图相关联,让同类型的图纸能够批量化生成,这就大大简化了出图工作量。BIM三维模型还可以和局部计算的有限元模型关联起来,将BIM模型直接导入有限元软件进行局部分析,根据计算分析结果,修改各个桥梁结构的构件参数,使得二维图纸能够随三维模型的参数变化而变化。另外,完成设计计算分析和出图后的BIM模型,可以传递给施工单位和运营养护单位,在施工和运营维护阶段,不断为模型补充后续信息,为桥梁的施工、管养提供可视化的后续服务。
  浦仪公路西段上坝大桥作为南京公路一环的最后一个重要节点,采用了适合桥位处建设条件的独柱钢塔钢箱梁斜拉桥设计方案,这种独柱变截面钢塔的全新桥梁造型设计,较好地适应了城市周边的建设条件,解决了宽桥的景观效果问题,在国内是首创。另外,根据本桥的具体特点,采用双向曲面变化的钢塔构造设计、竖向分块的塔柱节段设计、为减少塔壁拉力的钢锚梁设计,均是国内钢塔斜拉桥中首创。同时,本桥是国内第一个采用BIM正向出图设计的大型桥梁,解决了传统三视图双向曲面投影出图的难题,为复杂桥梁设计提供了新的设计思路,提升了桥梁设计品质,并对后续的预制加工、管理养护提供了技术支持。本桥已于2018年3月开工建设,计划于2020年底建成通车。

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2018年 第6期 总第86期作者 / 韩大章 华新 丁磊作者单位 / 中设设计集团股份有限公司

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