德余高速乌江特大桥主桥设计.pdf
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1、世界桥梁2 0 2 3年第51卷第5期(总第2 2 7 期)14World Bridges,Vol.51,No.5,2023(Totally No.227)D0I:10.20052/j.issn.1671-7767.2023.05.003德余高速乌江特大桥主桥设计夏豪,徐晖,余勇继(中交公路规划设计院贵州分公司,贵州贵阳550 0 0 1)摘要:德余高速乌江特大桥桥位处江面宽、岸坡陡,对(2 0 3十450 十2 0 3)m组合梁斜拉桥和计算跨径47 5m上承式钢管混凝土拱桥2 个桥型方案进行比选,最终采用景观好、造价低、易养护的上承式钢管混凝土拱桥。主桥拱轴线采用悬链线,拱轴系数2.2,矢高
2、9 0 m,矢跨比1/5.2 7 8。主拱圈由两幅拱肋组成,单幅拱肋为四肢等宽变高桁架结构,腹杆为钢箱和H形截面,竖腹杆与拱轴线中心径向布置。拱上立柱为钢箱截面,与拱肋、桥面系钢梁刚接。桥面系为槽形钢箱梁十粗骨料活性粉末混凝土桥面板的连续组合结构。拱座为梯形结构,采用扩大基础,交界墩采用变截面薄壁墩。采用斜拉扣挂、缆索吊装安装主拱节段、立柱单元及主梁构件。结构静力、稳定性计算及拱座受力验算均满足设计要求。关键词:钢管混凝土拱桥;桁架拱;径向腹杆;钢箱立柱;槽形钢箱组合梁;粗骨料活性粉末混凝土桥面板;斜拉扣挂;桥梁设计中图分类号:U448.22;U 442.5文献标志码:A文章编号:16 7 1
3、-7 7 6 7(2 0 2 3)0 5-0 0 14-0 81工程概况贵州德江至余庆高速公路(简称德余高速)起于德江合兴镇,顺接沿德高速,终点接遵余高速,路线全长约10 3.9 9 6 km,乌江特大桥位于路线K52十845.5处,是项目建设的控制性工程。桥位处于乌江中下游,属湘西丘陵过渡地带,桥轴线地段高程十37 5十59 7 m,高差2 2 2 m,岸坡坡脚2 538,是典型的山区U形河谷地形;桥梁上跨乌江库区,基线水深0 6 3m,江面宽约2 93.5m;桥位起点侧岩溶发育较强,但节理裂隙一般发育,持力宽、岸坡陡,桥型的选择需从经济、施工、养护及景观等方面综合考虑,可选择的桥型有悬索桥
4、、斜拉桥、拱桥。由于悬索桥方案相对不经济,因此选取斜拉桥和拱桥2 个方案进行详细比较:方案1为(2 0 3十450十2 0 3)m组合梁斜拉桥;方案2 为计算跨径475m上承式钢管混凝土拱桥(见图1)。2 种桥型方案比较如表1所示。德江203余庆856450十203层为中风化灰岩,单轴饱和抗压强度在2 0 Pa以上。乌江在距离桥位450 km的重庆陵与长江连通,可满足IV级通航S标准,桥位处水运运输条件好。由于运输船只至桥位途经4个水电站,受水电站船闸宽度限制,可通过构件最大尺寸为55m10.8mX8m(长X高X宽)。主要技术标准如下:公路等级为高速公路,汽车荷载等级为公路一I级,设计速度为8
5、 0 km/h;桥梁全宽2 5.5m,双向4车道;地震动峰值加速度为0.0 5g,地震基本烈度VI度,地震动反应谱特征周期为0.35s,抗震设防类别A类;设计洪水频率为1/30 0;通航等级为内河一(3)级,通航净宽110 m、净高10 m。2桥型方案比选乌江特大桥位于乌江廊道风景区,桥位处江面收稿日期:2 0 2 2-0 7-12作者简介:夏豪(198 9一),男,高级工程师,2 0 13年毕业于贵州大学桥梁与隧道工程专业,工学学士,2 0 16 年毕业于贵州大学土木工程专业,工程硕士(E-mail:)。(a)方案1:斜拉桥德江4X40余庆5044X401533.684751(b)方案2:拱
6、桥图1桥型方案Fig.1 Bridge options单位:m德余高速乌江特大桥主桥设计表12 种桥型方案比较Table 1 Comparison of two different bridge types工程造价/方案景观气势雄伟,人工挂篮、高墩建筑突出,现代方案1施工技术成49600感强,景观融合熟可靠性差缆索吊装施线形优美,景观方案2工技术成熟44000融人性佳可靠由表1可知:上承式钢管混凝土拱桥具有景观好、造价低、易养护等优势,故该桥桥型采用计算跨径47 5m上承式钢管混凝土拱桥。3结构设计3.1总体设计主桥全长50 4m,为计算跨径47 5m上承式钢管混凝土拱桥,采用梁、拱、柱刚接协
7、同受力体系。主拱圈为等宽变高度空间桁架结构,由两幅拱助8根d1400mm钢管组成,钢管内灌注C70自密实补偿收缩混凝土;拱上立柱采用双柱式钢箱截面,高981m;桥面系为槽形钢箱梁十粗骨料活性粉末混凝土桥面板的连续组合结构1。拱上立柱与桥面系钢梁刚接,交界墩处设置纵向活动球钢支座和横向限位挡块。拱座均采用扩大基础,交界墩采用变截面薄壁墩。3.2拱肋安装节段划分钢管混凝土拱桥拱肋节段划分方式通常有2种:拱肋分段节点设在拱上立柱之间,立柱处设置单排竖腹杆,立柱和腹杆中线重合;拱肋分段节点卜1.Z3交界墩(LZ14)日口夏豪,徐晖,余勇继施工养护万元斜拉索需更换,塔梁需长期检测常规养护7X33600L
8、Z11.Z2(LZ13)日15设在拱上立柱对应位置处,纵向立柱两侧对称设置双竖腹杆。前一种划分方式节段划分灵活,不受立柱位置的限制,拱肋构件简单;后一种划分方式竖腹杆布置在分段节点处,双竖腹杆距离立柱近,集中力作用处结构刚度大,可解决特大跨径拱桥立柱与拱肋节点荷载大、对应位置刚度不足的问题2-41。该桥桥面宽,立柱高且间距大,易造成拱肋集中荷载大;同时节段运输受水电站船闸宽度限制,节段划分既要考虑拱肋节点荷载大的问题,又要保证拱肋节段划分灵活,因此将竖腹杆调整为与拱轴线中心径向布置,有效削减节点应力峰值,提高拱肋承载力。从拱脚至拱顶共划分为15个节段(不含合龙段),全桥共计6 0 个节段,节段
9、长度为152 0 m,最大节段吊重约155t。拱肋节段划分如图2 所示。3.3主拱圈构造主拱圈为变截面桁架,两幅拱肋之间中心距为16m,单幅拱肋弦管横向间距2.5m。拱轴线采用悬链线,拱轴系数2.2,矢高9 0 m,矢跨比1/5.2 7 8。拱脚截面高10 m,拱顶截面高5m。拱内设横联,两幅拱肋间设风撑和剪刀撑。主拱圈横断面如图3所示。3.3.1拱肋弦管上承式钢管混凝土拱桥拱肋受力特点为:拱脚段截面下弦管轴压力大于上弦管轴压力,拱顶段截面下弦管轴压力小于上弦管轴压力,1/4跨附近上、下弦管轴压力则位于中间状态。该桥计算跨径为47 5m,单幅拱肋由四肢l400mm的钢管组成,根据拱圈受力情况,
10、从拱脚至拱顶上弦管壁厚分别为38、2 5、34mm,下弦管壁厚分别为38、32、2 5mm。33 600/2LZ4LZ5(LZ12)(LZ11)H日LZ6(LZ10)(LZ9)HLZ7(LZ8)H第14第15第13第12节段节段第11节段节段第10节段十第9节段十第品节段十第设节段第6节段节段十节段十节段第2节段单位:mm图2 拱肋节段划分Fig.2 Segmentation of arch rib横桥向16腹杆、世界桥梁2023,51(5)非立柱处横桥向上弦管K撑上水平撑横联杆K撑下水平撑下弦管2.500上弦管腹杆、腹杆平联一12.500下弦管图3主拱圈横断面Fig.3Cross-secti
11、on of arch ring3.3.2拱肋腹杆拱肋腹杆由径向腹杆和斜腹杆组成,截面形式可选择以下3种方案:(1)方案1,径向腹杆与斜腹杆均为圆形钢管5。该结构构造简单,工厂加工量少,通过焊缝可适应少量放样误差,节点外形简易流畅。缺点是相贯焊缝根部焊接困难,易产生焊接缺陷,疲劳强度低。(2)方案2,径向腹杆为箱形截面,斜腹杆为工字形截面。该结构可克服钢管结构疲劳强度低的缺点,但连接位置需设置节点板,节点板和弦管焊接,腹杆与节点板高强度螺栓连接,腹杆与主弦管连接工艺复杂。(3)方案3,径向腹杆与斜腹杆均为H形截面。该结构腹杆与弦管仍用节点板连接,可克服方案1的缺点,制作工艺又较方案2 形式简单。
12、综合以上,拱肋腹杆采用箱形截面和H形截面,如图4所示。拱脚处斜腹杆采用2 种箱形截面,横桥向全宽分别为6 2 8、6 12 mm,顺桥向高8 6 0 mm,板厚分别为38、30 mm;1号立柱下的径向腹杆以及靠跨中侧相邻径向腹杆采用箱形截面,横桥向全宽550 mm,(a)箱形截面图4腹杆截面13500-2.50018500立柱处米撑上水平撑X撑米撑下水平撑1350018500(b)H形截面Fig.4 Cross-section of web member顺桥向高56 0 mm,板厚2 5mm;3 12 号立柱间(除立柱下方)径向腹杆和7、8 号立柱间的斜腹杆采用横联杆H形截面,翼缘顺桥向宽50
13、 0 mm、板厚2 0 mm,腹板横桥向净高6 0 0 mm、板厚2 0 mm。其它焊接接头的腹杆采用箱形截面,横桥向全宽6 0 0 mm,顺桥向高56 0 mm,板厚2 0 mm;栓接接头的腹杆采用箱形截面,横桥向全宽550 mm,顺桥向高56 0 mm,板厚2 0 mm,为方便栓接,接头部分由箱形截面渐变12.500为工字形截面。腹杆与弦管均通过节点板连接,其中拱肋第1单位:mm4节段内的腹杆与弦管在工地组拼场高强度螺栓连接,第515节段内的腹杆与弦管均在工厂内焊接连接,节段间的腹杆与下弦管在桥位处高强度螺栓连接。3.3.3拱肋横联拱肋弦管间设横联,由平联和剪力撑组成。平联一般采用水平直杆
14、设计,为克服拱肋抗扭刚度弱,平联采用箱形截面,根据受力和构造需要,分为6 0 0 mm(宽)X600 mm(高)X20 mm(厚)和8 0 0 mm(宽)X600mm(高)X25mm(厚)2 种截面。拱肋剪力撑构件类型多样,具体形式如图5所示,各形式对比如表2 所示。经综合比较,剪力撑采用一字撑,安装简单且施工质量有保障。拱脚处剪力撑采用箱形截面,横桥向宽6 0 0 mm,顺桥向高8 0 0 mm,板厚2 5mm;其余采用工字形截面,翼缘宽40 0 mm,厚18 mm,腹板高 46 4 mm,厚 12 mm。3.3.4拱肋间风撑拱肋间风撑均采用K撑,全桥共30 道,采用钢箱截面,布置如图6 所
15、示。拱肋第17 节段风撑截面宽6 0 0 mm、高6 40 mm,板厚2 0 mm;第8 15节段风撑截面宽50 0 mm、高532 mm,板厚16 mm。K撑节点采用整体节点板连接。拱肋上、下弦管间均采用传统的剪刀撑,布置在立柱下方的径向腹杆平面内,采用H形截面,翼缘德余高速乌江特大桥主桥设计夏豪,徐晖,余勇继17(a)格构式表2 拱肋剪力撑对比Table 2 Comparison of transverse connections of arch ribs类型构件形式格构式钢管单斜撑钢管双剪力撑钢管米字撑钢管、工字钢抗扭刚度大一字撑钢管、工字钢安装最简单图6 1/2 拱肋风撑布置Fig.6
16、 1/2 arch rib bracing arrangement宽440 mm、板厚18 mm,腹板高6 0 0 mm、板厚12mm,采用高强度螺栓连接。3.4拱上立柱拱上立柱可考虑的方案有钢管排架和钢箱立柱,镂空的钢管排架虽然纵、横向风荷载小,但结构自重大,结构安全性低,经济性差;钢箱立柱则反之,荷载小,稳定性和抗扭性好7。乌江特大桥计算跨径47 5m,已经达到上承式钢管混凝土拱桥经济跨径的上限,由于减轻拱上建筑自重可降低拱肋荷载,因此立柱采用钢箱截面,横桥向宽均为2 50 0 mm,纵向宽度分为3种尺寸:12 0 0 mm(510 号立柱)、1500mm(3、4、11、12 号立柱)和2
17、 0 0 0 mm(1、2、13、14号立柱)。立柱上、下端分别与桥面系钢梁和拱肋固结,为了提高立柱横向稳定性,1(14)、2(13)、3(12)号立柱分别设置3、2、1道横梁。立柱采用工厂分段制作,分为柱顶、中间和柱脚3类节段,柱顶节段与钢梁一起制作吊装,柱脚节段与拱肋弦管一起制作吊装,中间立柱及横梁采用现场大节段吊装。中间立柱节段最大吊装高度为39.532m,最大吊重145.8 t。3.5桥面系大跨径钢管混凝土桥面系通常采用混凝土结构或钢-混组合梁结构。该桥桥面宽,立柱间距大,为减轻拱上结构自重,降低拱肋荷载,桥面系主梁采用钢-混组合梁,考虑3种方案:方案1为双主梁分离(b)单斜撑Fig.
18、5 Transverse connection patterns优点缺点抗扭刚度大制造安装复杂、材料用量大安装较简单抗扭刚度弱抗扭刚度适中安装较复杂制造安装复杂、材料用量大抗扭刚度稍弱拱座侧(c)双剪力撑图5剪力撑形式式桥面,主梁为工字形钢-混组合截面,与立柱铰接,连续布置;方案2 为多主梁整体式桥面,主梁为工字形钢-混组合截面,与立柱刚接;方案3为双主梁整体式桥面,主梁为槽形钢箱组合梁截面,与立柱刚接。桥面系钢-混组合梁方案如图7 所示。2.55055十114510cm厚沥青混凝土铺装水土桥面板防水层正500650(a)方案1:双主梁分离式桥面2.5501145404cm厚改性沥青玛蹄脂碎石
19、6cm厚中粒式改性沥青混凝土25cm厚C55混凝土桥面板/17 cm厚UHPC桥面板250775(b)方案2:多主梁整体式桥面2.55050115010cm厚沥青混凝土铺装20cm厚UHPC桥面板350250(c)方案3:双主梁整体式桥面图7 桥面系钢-混组合梁方案Fig.7 Steel-concrete composite girder options从施工便捷、立柱受力、结构疲劳性能,对3种钢-混组合梁方案进行对比。(1)施工便捷。方案2、3采用无盖梁结构,柱(d)米字撑4050.,5050675(e)一字撑114565050011457752501150675250单位:cm55F350
20、18梁固结,施工工序简单,结构自重轻。(2)立柱受力。方案2、3对立柱内力影响不大,但可以改变内力分布,特别是高立柱的内力分布更加均匀,立柱材料利用更加趋于合理,优于方案1。(3)结构疲劳性能。方案2 主纵梁较多,构件连接多,抗疲劳性差;方案3主梁采用槽形钢箱连续组合结构,桥面板采用粗骨料活性粉末混凝土可减轻自重,结构整体性和抗疲劳性均较好8 。综合考虑,桥面系结构采用方案3作为最终设计方案。3.6拱座和交界墩拱座均为梯形结构,采用扩大基础,德江侧拱座长35.15m,底宽2 5.2 m,顶宽52.0 m,高2 2.0 m,持力层为中风化石灰岩及中风化燧石灰岩层;余庆侧拱座长2 9.4m,底宽2
21、 5.2 m,顶宽40.0 m,高22.0m,持力层为中风化石灰岩层。拱座顶面兼做交界墩基础。交界墩为门式框架箱形变截面空心薄壁墩,采用钢筋混凝土结构,横向两肢墩中心距与两幅拱肋中心距同宽,均为16.0 m。单肢截面横桥向尺寸为5.5m,顺桥向为6.5m,墩高均为9 1.9 m。交界墩兼做扣塔的下塔柱。盖梁也采用钢筋混凝土结构,横桥向长2 5.5m,高4m,顺桥向宽5.5m。4结构计算4.1有限元模型及荷载组合采用MIDASCivil软件建立全桥有限元模型。拱圈弦杆及桥面系采用施工联合截面模拟,立柱采用梁单元模拟。全桥共8 6 37 个单元、7 2 6 8 个节点,有限元模型如图8 所示。世界
22、桥梁2023,51(5)弦管温差按8 计算;静风荷载按公路桥梁抗风设计规范(JTG/T3360-1一2 0 18)取值计算;制动力按公路桥涵设计通用规范(JTGD60一2 0 15)4.3.5条取值计算;汽车荷载采用公路一I级,按双向4车道加载,考虑正载和偏载加载方式;二期恒载为10 cm厚沥青铺装十钢护栏。拱圈及拱座结构计算采用承载能力极限状态基本组合。4.2静力计算结果上承式钢管混凝土拱桥的主拱圈为主要承重构件9,主拱圈上、下弦管应力验算结果如下。(1)施工及成桥状态:弦管最大压应力为162.63MPa,最小压应力为52.6 MPa;管内混凝土最大压应力为15.7 6 MPa,均满足规范要
23、求。(2)运营阶段:弦管全截面受压,最大压应力为196.91MPa,管内混凝土全截面受压,最大压应力为19.56MPa;腹杆最大拉应力为97.2 MPa,最大压应力为118.6 1MPa;拱上立柱最大压应力140.44MPa,最大拉应力10 5.0 2 MPa,结果均满足规范要求;拱圈全截面受压,可充分发挥混凝土的抗压作用。4.3稳定计算结果该桥采用弹性屈曲分析方法,并考虑将自重、二期恒载、汽车活载等效静力荷载作为可变荷载10 ,验算稳定特征,前3阶失稳形式如图9 所示。(a)1阶(b)2阶Z图8 全桥有限元模型Fig.8 Finite element model of full bridge
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