遵余高速公路飞龙湖乌江大桥主桥设计关键技术.pdf
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1、铁路与公路四川建筑第43卷第4期遵余高速公路飞龙湖乌江大桥主桥设计关键技术宋随弟(中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都6 10 0 31)【摘要】遵余高速公路飞龙湖乌江大桥主桥采用一跨6 8 0 m跨悬索桥。门架式主塔采用分离式大直径群桩基础,重力式锚锭根据地形采用不同的形状,工程量及开挖量小且环保;主塔采用爬模法施工。主缆采用预制平行钢丝索股法(PPWS)形成,每个吊点处设置2 根预制平行钢丝吊杆。加劲梁为带竖杆的华伦式单层钢桁架,现场拼装,整节段吊装安装;加劲梁采用正交异性钢桥面板与钢桁架结合的构造,可减少加劲梁的总用钢量,减轻结构自重,进而减少主缆及锚锭的工程数量,跨度越大,经济效益越
2、大;在正交异性钢桥面板上设置45mm厚超高性能混凝土(UHPC),可以显著改善纵向U与桥面板连接处的疲劳应力。【关键词】悬索桥;锚碳;钢桁架;正交异性钢桥面板;板桁结合加劲梁【中图分类号】U448.251工程概况遵余高速公路飞龙湖乌江大桥横跨乌江河谷飞龙湖景区,2 个桥塔分别位于遵义市余庆县和潭县。桥下为乌江构皮滩水电站水库,桥位水深最深达2 0 0 m,水位最大落差40m。桥位河谷宽40 6 m,相对高差2 98 m。两岸斜坡陡峭,覆盖层较浅,下伏白云质灰岩、泥灰岩、灰岩夹钙质泥页岩、角砾岩等,两岸边坡裂隙发育,遵义岸近河侧边坡有拉裂缝带,余庆岸近河侧边坡有卸荷裂隙发育带,地震动峰值加速度值
3、小于0.0 5g。桥位处交通条件较差,两岸桥区距乡村道路分别为1.0 km和1.5km。该桥主桥为一孔6 8 0 m跨钢桁2744.520100【文献标志码】A架梁悬索桥,引桥为40 m先简支后结构连续T梁,桥梁全长1243.5m,设计标准路幅宽度为2 4.5m,双向四车道,设计速度8 0 km/h。2主桥关键技术2.1总体布置主桥采用一孔6 8 0 m跨钢桁架梁悬索桥(图1),支承体系【1-2 主缆计算跨度为(2 0 1+6 8 0+17 8)m矢跨比为1/10,板桁结合钢桁加劲梁,门架式主塔,群桩基础,重力式锚。为了避开岸坡边缘的拉裂缝带及卸荷裂缝发育带,跨度采用6 8 0 m跨。6800
4、0J1100947000-658000089199拉裂缝带178001100T荷载裂发育带2778.1T正常蓄水位6 30.0 0 0测时水位6 0 3.6 0 0图1飞龙湖乌江大桥主桥总体布置(单位:cm)钢桁梁在每个主塔下横梁处设置2 个拉压球钢支座,全桥共4个;在钢桁梁上、下弦杆的外侧,各设置一个横向抗风支座,全桥共8 个;在2 个下弦杆处各设置一个纵向阻尼器 3,全桥共4个。主缆的中心间距2 7.0 m,吊索顺桥向间距为7.0 m,每一吊点设置2 根吊索。2.2钢桁加劲梁2.2.1构造钢桁加劲梁为带竖杆的华伦式单层架,桁高5.5m,节间长3.5m,2片主桁中心间距为2 7.0 m。桥面
5、板采用带超高性能混凝土(UHPC)的正交异性钢桥面板 4,桥面板与桁架结合共同受力 5-6 ,桥面上层为30 mm厚高弹改性沥青混凝土SMA-10,下层为45mm厚超高性能混凝土(UH-114PC)7-8 ,铺装面层和下层之间采用环氧粘结剂做防水粘结层,超高性能混凝土(UHPC)通过剪力钉与钢桥面板连接,剪力钉间距为30 cm(图2)。除了受力较大的下弦杆采用Q42qD钢外,加劲梁其余杆件均采用Q345qD钢。钢桁加劲梁分段预制和吊装,全桥共分49个节段,2 个端部节段长度均为9.3m,跨中节段长16.4m,标准节段长14.0m,共46 个标准节段。除了跨中节段外,每个制作节段定稿日期 2 0
6、 2 2-0 6-0 7【作者简介宋随弟(197 0 一),男,博士,教授级高级工程师,主要从事大跨度桥梁、特殊结构、组合结构的设计和研究工作。宋随弟:遵余高速公路飞龙湖乌江大桥主桥设计关键技术2700Fo.5011002%675675图2 加劲梁横截面(单位:cm)组成一个吊装单元,吊装单元包含正交异性钢桥面板。上弦杆、下弦杆采用箱形截面,梁端竖向支座处的斜腹杆和竖腹杆采用箱形截面,其余斜腹杆和竖腹杆均采用工字形截面。2.2.2结构分析计算加劲梁在汽车荷载下的最大挠度为12 7 5mm,跨比为1/533,小于允许值1/2 50;最大横向位移为6 9 5mm,为跨度的1/97 8,小于允许值1
7、/150。在基本组合下,上弦杆的最大拉、压应力分别为135.3MPa和18 9.9MPa,下弦杆最大拉、压应力分别为2 8 6.2 MPa和-2 0 2.4MPa,腹杆的最大拉、压应力分别为16 6.2 MPa和-2 46.3MPa,均小于钢材的设计强度。桥面板与桁架结合后,桥面板与上弦杆共同工作,上弦杆的内力大幅度降低,截面面积较板桁分离结构减小了22.8%33.5%。与采用板桁分离的方案相比,正交异性桥面板与钢桁结合后的加劲梁方案总共每延米减少钢材36 8 9kg;且材料从Q420qD降低为Q345qD;结构自重减轻后,主缆和锚数量也会相应减少,对于本桥来讲,主缆减少钢丝451t,锚锭减少
8、混凝土9937 m。悬索桥跨度越大,结构自重减轻对主缆及锚锭数量的减少越明显,经济效益也更显著。经过对比分析,加劲梁正交异性钢桥面铺装采用45mmUHPC+30mm改性沥青SMA10后,相对7 5mm厚沥青混凝土铺装,正交异性桥面板的疲劳应力有不同程度的改善,疲劳应力幅降低了5.3%53.3%,其中U肋与桥面钢板连接处的应力改善最为明显,最不利应力减小了33.5%,而U肋与横梁连接处的应力降幅相对较小,仅降低了5.3%15.8%。这是由于超高性能混凝土(UHPC)对正交异性桥面板纵向和横向刚度的影响不同造成的,对于横向来讲,45mm厚超高性能混凝土(UHPC)与16 mm厚钢板形成组合结构后,
9、桥面板的横向抗弯惯性矩增大了2 1.2 倍,超高性能混凝土(UHPC)对桥面板的横向抗弯惯性矩增大非常明显,所以对U肋与桥面板连接处的应力改善非常明显;而对于纵向来讲,45mm厚超高性能混凝土(UHPC)与含U型加劲肋的正交异形板形成组合结构后,正交异形桥面板的纵向抗弯惯性矩仅增大了32.2%,超高性能混凝土(UHPC)对桥面板的纵向抗弯惯性矩增大非常有限,所以对U肋与横梁连接处的应力改善非常有限。当然,影响U肋与桥面板连接处、U肋与横梁连接处应力的因素很多,且这些因素相互影响,桥面板抗弯惯性矩只是其中之一,这里不作进一步讨论,只是说明超高性能混凝土(UHPC)对正交异性板不同部位应力的影响是
10、不同的。2.2.3主要施工方案钢桁梁通过支撑于主塔上的缆索吊机吊装,缆索吊机的15011002%675吊装能力按2 50 t设计,线吊装主塔处的节段,然后从跨中向主视中心线两端对称逐段吊装,吊装安装过程中将相邻节段临时铰接连接。钢桁架在工厂制造,将各个部件运输至工地后,现场拼装成完整节段,标准节段长14.0 m,重2 0 5t,包含桥面正交675异性板,这样可以提高吊装效率,减短施工工期;跨中节段长16.4m,重17 4t,为了降低吊装重量,不含桥面板,桥面板待跨中节段吊装完成后在桥上现场焊接安装。节段全部吊装完成后,降临时铰接改成刚性连接,最后进行桥面铺装、栏杆等的施工。2.3主塔2.3.1
11、主要构造主塔采用门架式 9,塔柱向内侧倾斜2.8 6 2 4,在梁底及塔顶各设一道横梁。余庆岸塔高9 4.0 m,左右塔柱等高;遵义岸为了适应地形、减少开挖,主塔的左右塔柱承台不等高,塔柱高分别为12 1.0 4m和12 8.0 4m。塔柱及横梁均采用单箱单室箱型截面,横桥向宽度均为5.0 m,纵桥向宽度在塔顶处为6.5m,以下每侧均按10 0:1的斜率加宽,主塔壁厚1.01.5m。为了减少承台尺寸,基础采用大直径群桩基础,每个塔柱下为6 根直径为3.2m的嵌岩钻孔桩基础,图3为余庆岸主塔构造。5034388(a)立面图3余庆岸主塔(单位:cm)为了减小温度作用对下塔柱较矮的余庆岸塔柱的影响,
12、余庆岸主塔下横梁采用高度为3.5m的低高度横梁,同时,下横梁上引桥侧T梁的支撑垫梁采用“”形结构,以减小垫梁对塔柱的影响。横梁采用全预应力混凝土结构,塔柱内不设预应力钢束。2.3.2结构分析计算余庆岸主塔在施工阶段的最大拉应力为1.38 MPa,压应力为-8.57 MPa;在成桥阶段的最大拉应力为1.8 MPa,最大压应力为-13.5MPa,最大裂缝宽度为0.17 mm;遵义岸主塔在施工阶段的最大拉应力为1.38 MPa,压应力为-8.57MPa,在成桥阶段的最大拉应力为0.6 MPa,最大压应力为-12.1MPa,最大裂缝宽度为0.18 mm,均满足规范要求;主塔横梁满足A类部分预应力混凝土
13、结构要求。主塔塔顶在使用荷载作用下向河中心侧的位移大于向河岸侧的位移,塔底的正负弯矩不相等,即主塔向河中心侧弯曲时塔底的最大弯矩大于主塔向河岸侧弯曲时塔底的最115888出出(b)左塔柱侧面(c)右塔柱侧面80铁路与公路大弯矩,这使得在使用荷载作用下,塔底在纵桥向的正负组合弯矩有较大差异,塔底对称配筋时,塔底两侧的安全富余度也不相同。可通过将主鞍座多设预偏量的方式进行调整,使主塔塔顶在恒载作用下有一个项河岸侧的位移预偏量,这样塔底在使用荷载下的组合正负弯矩就会基本相当。本桥余庆岸主索鞍的预偏量只需加大49 mm、遵义岸主索鞍预偏量只需加大43mm即可,约为恒载预偏量的5%。2.3.3主要施工方
14、案主塔基础采用常规钻孔成孔法施工,塔柱采用爬模法施工,每6.0 m为一个节段。为了改善塔柱的受力,在下横梁处设置合龙口,在合龙前,对下横梁合龙口施加对向顶推力,并进行顶推与力与位移双向控制,余庆岸与遵义岸主塔的顶推力分别为7 0 0 0 kN和350 0 kN。主索鞍分2 块制造、运输和吊装,在塔顶拼装成一完整鞍座。在初始安装主鞍座时,向岸侧设置一定的预偏量,余庆岸和遵义岸主索鞍的预偏量分别为9 8 4.8 mm和8 0 2.8mm;随着加劲梁的吊装安装,主塔顶部向河中心侧逐步偏移,根据塔顶偏移量,对主索鞍分次进行顶推复位操作,使其逐步恢复到设计位置;主鞍座复位后,安装挡块,将主索鞍固定;复位
15、操作平台由预埋于塔顶的格栅及反力架共同组成。主鞍复位后,切除格栅悬出部分。对于单跨悬索桥,可以通过调整主索鞍预偏量的方式,调整主塔纵向弯矩,减小主塔的最大弯矩。2.4锚锭2.4.1主要构造两岸锚均采用重力式,基础置于中风化基岩上。为了尽量减少开挖量,锚锭采用与地形、地质最匹配的结构形式,基础底面纵向均为前高后低的台阶形。遵义岸锚锭长6 1.32m,宽43.0 m,高40.0 6 m;散索鞍处主缆与水平线夹角24.906,散索鞍支撑墙高2 6.16 m,横向宽6.0 m,纵向顶部宽4.5m。余庆岸锚锭长52.6 7 m,宽43.0 m,高44.32 m;散索鞍处主缆与水平线夹角2 4.2 38;
16、基底有较大的纵向坡度。2个锚散索鞍处主缆理论转折点至前锚面的距离均为2 0m,前锚面至后锚面的距离均为18.0 m(图4)。4039174415墩961008L18111878.9L87812194(a)遵义岸图4锚旋(单位:cm)为防止渗水而影响主缆锚固系统,在高于永久回填线1.0m以下的锚混凝土采用W8级防渗混凝土;前锚室侧板、顶盖及前墙混凝土为聚丙烯纤维混凝土,以增强其抗裂性能。锚锭为大体积混凝土,施工时分块分层浇筑,各块之间用后浇带进行连接。锚前方基坑回填C30片石混凝土,其余基坑分层夯实回填常规土石,浆砌片石覆面。锚的主缆锚固采用有粘结预应力锚固系统。索股锚116四川建筑第43卷第4
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