朝阳大桥主桥总体设计

郑永阳,扶名福

(1.南昌大学建筑工程学院,南昌 330031;2.南昌市城市规划设计研究总院,南昌 330038)

朝阳大桥主桥总体设计

郑永阳1,2,扶名福1

(1.南昌大学建筑工程学院,南昌 330031;2.南昌市城市规划设计研究总院,南昌 330038)

朝阳大桥主桥总长1 208 m,对该桥设计采用的多项新材料、新工艺、新技术及其主要工程特点和关键技术进行总结。针对并利用赣江水域宽阔,需涵盖实测航迹线与规划主航道,桥垮布置为79 m+5×150 m+79 m六塔单索面斜拉桥。主梁采用波形钢腹板-PC组合梁;桥塔采用“合”造型;索距采用6.5 m,从建筑造型、材料用量和受力性能等方面最佳。为保证全桥结构性能最优,结构支承体系采用塔梁固结、梁墩分离形式,边跨与中跨跨径比值为0.53。

斜拉桥;组合结构;波形钢腹板;箱形梁;斜拉索;支承体系;受力体系;设计

1 概述

朝阳大桥为南昌市“十横十纵”干线性道路九洲大道快速路跨越赣江的交通联系通道[1],其位于现有跨江大桥南昌大桥、生米大桥之间(距南昌大桥约2.5 km,距生米大桥约3.5 km),连接南昌市朝阳新城和红角洲地区,东与朝阳新城的九洲大街相接,西与红角洲地区的前湖大道相接。朝阳大桥的建设对推进南昌市“一江两岸“规划总体的实施,进一步加快朝阳新城、红角洲地区的发展,改善南昌市的投资环境,拓展城市发展空间,优化城市布局均有重大意义。同时朝阳大桥的建成将极大地缓解跨江通道的交通瓶颈,减轻南昌大桥、生米大桥、八一大桥的交通压力[2- 3]。

2 方案构思

本项目桥位处赣江江面宽达1.6 km,距下游的连续梁桥南昌大桥约2.5 km,距上游的中承式拱桥生米大桥约3.5 km,根据桥址处自然条件,结合通航要求,主桥的通航孔桥方案为79 m+5×150 m+79 m波形钢腹板-PC组合梁[4-8]六塔斜拉桥,见图1。

朝阳大桥的桥塔造型是书法“合”字的变形,体现出崇尚海纳百川,包容万象的大同理念。主桥主塔造型“合”,寓意“帆合连进”。多塔和单面拉索多样组合,如同排列有序的船只纵横在赣江江面,扬帆远航,帆合连进。

图1 朝阳大桥全景效果图

本方案根据通航需求,将主跨确定为150 m,边跨根据受力及构造要求确定为79 m,最终跨径布置为79 m+ 5×150 m+79 m的六塔七孔斜拉桥方案。该方案适航水域宽阔,涵盖了实测航迹线与规划主航道。近期采用二孔单向通航,远期根据航运发展及航道变迁的需要增设或调整通航孔,其设计通航孔方案能够满足桥区正常通航及远期发展的需要,桥梁平面布置合理。同时结合项目背景,文化理念,桥梁景观等诸多因素分析,主桥整体上呈现很强的序列感和韵律感,并可以通过桥塔的造型设计,充分体现南昌地域文化特色和环境特色,桥梁整体与两岸景观结合融洽协调一致,总体布置见图2。

图2 主桥总体布置(单位:mm)

3 索距布置

3.1 索距总体布置方案设计

朝阳大桥索距布置初步设定为6.5 m和8.0 m,从桥梁外观、材料用量和受力性能[9]3个方面进行比选,下面分别给出了采用2种索距的桥梁在纵向的布置形式。

3.1.1 6.5 m索距布置方案

采用6.5 m索距的方案在每侧设置9根拉索,塔梁结合部无索区的长度为11.5 m,跨中无索区的长度为10.0 m,桥塔根部在纵向的分布范围为14.5 m。

3.1.2 8.0 m索距布置方案

采用8.0 m索距的方案在每侧设置7根拉索,塔梁结合部无索区的长度为16.5 m,跨中无索区的长度为8.0 m,桥塔根部在纵向的分布范围为13.0 m。

3.2 索距总体布置方案比选

3.2.1 建筑外观比选

6.5 m索距方案塔梁结合部无索区的长度比桥塔根部在纵向的长度略小,从拉索区至桥塔根部的纵向间距分别为6.5、11.5 m和14.5 m,形成了视觉上的过渡,总体布置较为均匀。

在8.0 m索距方案中,塔梁结合部无索区的长度大于桥塔根部在纵向的长度,在拉索区至桥塔根部区域没有形成视觉上的连续性,较为突兀。

3.2.2 材料用量比选

在6.5 m索距方案中,每侧拉索为9根,在主梁上需布置9个钢锚箱;在8.0 m索距方案中,每侧拉索为7根,主梁上需布置7个钢锚箱。从材料用量上来看, 6.5 m索距方案耗材较多,加工成本偏高。

3.2.3 拉索及钢锚箱的受力性能比选

8.0 m索距单根拉索索力较大,钢锚箱受力很大。在6.5 m索距方案中,拉索及钢锚箱的受力状态优于8.0 m索距方案中的结果,同时拉索对主梁位移的控制较好。因此,采用6.5 m索距方案。

3.3 索距总体布置方案比选结论

从建筑造型、材料用量和受力性能3方面综合考虑,采用6.5 m索距方案。

4 塔梁墩连接形式

上塔柱外轮廓为抛物线形的开叉方案[10],下塔柱采用隆起的钻石造型,从而形成曲线柔和,双臂合龙呈现出花苞的形态。斜拉桥的结构体系,从总体上可以分为漂浮体系,半漂浮体系,塔梁固结体系[11]和刚构体系[12]。结合本方案的具体情况,景观上要求按照单索面设计。漂浮、半漂浮体系显然是不合适的,若采用刚构体系,考虑到梁体以下塔身不高,刚度较大,在升降温工况情况下将会产生很大的附加内力,处理困难。因此,本方案最合理的结构体系是塔梁固结、梁墩分离,虽然增加了制作构造,但解决了附加温度力的问题,结构合理可靠。

下面给出3个可行方案,根据其结果进行比较,得出结构体系的选择理由。

4.1 塔梁墩连接总体布置方案设计

(1)双塔梁墩固结(图3)

(2)独塔梁墩固结方案(图4)

(3)塔梁固结、梁墩分离方案(图5)

图3 双塔梁墩固结方案总体布置

图4 独塔梁墩固结方案总体布置

4.2 塔梁墩连接总体布置方案比选

对桥梁采用单梁单元进行模拟,使用MIDASCIVIL-2012进行计算,桥梁有限元模型如图6所示。

图6 桥梁有限元模型

4.2.1 塔墩受力状态(表1)

表1 整体升温20℃塔墩受力状况

从桥塔受力状态来看,塔梁固结、梁墩分离方案中的应力和弯矩较小。

4.2.2 主梁受力状态(表2)

从主梁受力状态来看,塔梁固结、梁墩分离方案中的应力和弯矩较小。

表2 整体升温20℃主梁受力状况

4.3 塔梁墩连接总体布置方案比选结论

根据桥塔、桥墩和主梁在整体升、降温作用下的受力状态,塔梁固结、梁墩分离方案最优,决定采用该方案。

5 斜拉桥受力体系

根据塔梁固结、梁墩分离方案,对桥梁进行拉索、体外预应力钢筋配置方案进行比选。

本桥为景观桥,为了满足建筑效果的需求,桥塔下部分叉的截面较小。桥塔分叉使桥塔下部的刚度增大,在荷载作用下边塔将承担较大的不平衡内力,使该部位处于不利状态。在满足建筑效果的前提下,为了使桥塔分叉的受力状态最优,制定了如下设计原则。

(1)使每个桥塔下部2个分叉构件所受内力尽量平衡,避免2个分叉构件所受内力相差过大而使该部位的混凝土压应力超标;

(2)在满足条件(1)的原则下,使拉索和主梁在永久作用下的内力处于合理范围内;

(3)在满足条件(1)、(2)的原则下,使主梁永久作用状态、正常使用极限状态和持久状况下的应力保持在合理范围内,尽量使主梁满足全预应力混凝土构件的设计要求。

5.1 斜拉桥受力体系方案设计

(1)斜拉桥体系

在本方案中,将斜拉索作为桥梁结构的主要受力构件,斜拉索对承载力贡献较大的体系称为斜拉桥结构体系。按此思路进行拉索和预应力钢筋的配置,使主梁基本满足全预应力混凝土构件的设计要求。

(2)部分斜拉桥体系

斜拉索对承载力贡献较小,以梁受力为主的体系称为部分斜拉桥。在本方案中,张拉索力设定为斜拉桥体系方案中索力的80%,进行拉索和预应力钢筋的配置,使主梁基本满足全预应力混凝土构件的设计要求。

5.2 斜拉桥受力体系方案比选

5.2.1 材料用量比选

(1)拉索用量比选(表3)

表3 拉索布置方案(拉索型号)

2种方案的材料用量如表4所示。

表4 斜拉桥体系方案中拉索用量

从2种方案的拉索指标来看,斜拉桥体系耗费拉索较多,拉索索力吨位和锚箱受力较大。

(2)预应力钢筋用量比选

在拟定的2种比选方案中,施工阶段纵向预应力钢筋均采用精轧螺纹钢筋和钢绞线混合布置,用量相同。下面仅对2种方案在成桥之后的纵向钢束用量进行比较,预应力钢筋材料用量如表5所示。

从2种方案的预应力钢筋指标来看,部分斜拉桥体系耗费预应力钢筋较多。

(3)材料用量比选

表5 斜拉桥体系方案中纵向预应力钢筋用量kg/m2

根据以上材料用量,进行造价估算。拉索造价拟定为4万元/t,钢绞线造价拟定为1万元/t。各方案造价比较见表6。

表6 各方案造价

根据以上估算价格,2种方案的造价相差不大,两者无明显差异。

5.2.2 主梁构造形式比选

完全斜拉桥的预应力钢绞线指标较低,从主梁的构造形式来看,其主梁顶底板的预应力钢筋管道间距在合理范围内。

部分斜拉桥的预应力钢绞线指标明显高于完全斜拉桥,主梁在跨中底板和支点顶板须布置较多预应力钢筋,管道间距过于密集,不利于混凝土的浇筑,若施工期间出现偏差,顶、底板易产生纵向裂缝。

从主梁构造形式来看,完全斜拉桥体系较为合理。

5.2.3 上部结构受力状态比选

(1)内力状态

在完全斜拉桥体系方案中,主梁主要受到轴力和弯矩的作用,所受剪力较小,桥塔受到的轴力较大,拉索吨位较大;在部分斜拉桥体系方案中,主梁受到的轴力、剪力和弯矩都比较大,桥塔受到的轴力较小,拉索的吨位较小。

(2)应力状态

在完全斜拉桥体系方案中,主梁应力水平较低,桥塔应力水平较高;在部分斜拉桥体系方案中,主梁应力水平较高,桥塔应力水平较低。

(3)位移状态

在完全斜拉桥体系方案中,由于拉索刚度大,主梁和桥塔的徐变位移增量较小;在部分斜拉桥体系方案中,主梁和桥塔的徐变位移增量相对较大;2种方案在静活载、人群和非机动车共同作用下的位移量十分接近。

根据以上分析可知,完全斜拉桥方案中主梁受力状态较好,而部分斜拉桥方案中桥塔受力状态较好。

5.3 斜拉桥受力体系比选结论

对于斜拉桥来说,主梁和桥塔均为主要受力构件,主梁和桥塔的受力状态均为控制因素,但主梁的受力状态对桥梁的使用性能有明显的影响,因此应以主梁的受力状态来选择方案。对于桥塔和锚箱来说,可以适当增大截面尺寸来提高承载力,降低整体应力水平。

从材料用量、主梁构造形式、结构受力状态3方面综合考虑,选用完全斜拉桥方案。

6 边、中跨跨径

6.1 边、中跨跨径方案设计

本桥为多塔连续斜拉桥,边塔下部2排支座受力状态的均衡性以及边墩下部支座的反力储备对结构的安全性有巨大影响。考虑到桥梁的建筑景观需求,边塔左右侧拉索索距应尽量保持一致,不宜通过减小边跨索距来调整边墩上方主梁无索区长度。因此,本设计拟定通过增大边跨跨径的方式对边墩上方主梁无索区长度进行适当调整,同时研究各种状态下的支座反力分配情况,从而得出合理可行的方案。

下面将给出2种方案进行布跨,设计标准为使边墩支座不出现负反力并保持一定的压力储备,使桥梁的边跨支座处于安全状态。

(1)方案一:边跨与中跨跨径比值为0.60,即中跨跨径为150 m,边跨跨径为90 m;

(2)方案二:边跨与中跨跨径比值为0.53,即中跨跨径为150 m,边跨跨径为79 m;

6.2 边、中跨跨径方案比选

(1)边墩支座受力状态

经过分析发现,方案一中边墩布置的4个支座均具备较大的反力,支座具有较高压力储备,在永久作用和可变作用下不会出现脱空。方案二中边墩布置的4个支座具备的反力储备较小,但在永久作用和可变作用下不会出现脱空。

(2)边塔支座受力状态

方案一中边塔下部2排支座的反力不均衡性较大,偏差达到26%。由于桥塔下部支座的间距较大, 2排支座反力的差异会在桥墩顶部产生巨大的弯矩,对下部结构的永久受力状态极为不利。而方案二中边塔下部2排支座的反力比较均匀,偏差小于5%,处于可接受范围内。

(3)中塔支座受力状态

2种跨径布置形式对中塔两排支座的受力状态影响不大,2种方案中2排支座反力的偏差不超过5%。

6.3 边、中跨跨径比选结论

根据边墩、边塔下部支座的受力状态,拟定采用第2种方案作为推荐方案。

在该方案中,宜将加大边墩横梁重力,增大边墩的反力储备,使结构处于安全状态。

7 结论

朝阳大桥项目研究起于2010年,为适应复杂的自然与建设条件,对多种桥梁结构形式和施工方法进行了系统比较分析,设计力求随桥梁技术的发展,将先进理念与经验合理应用于工程之中,保证桥梁的技术经济、合理且耐久。朝阳大桥工程已于2012年12月开工,目前,项目施工正按计划顺利进行。

[1] 上海市城市建设设计研究总院,南昌市城市规划设计研究总院.朝阳大桥工程可行性研究报告[R].上海:上海市城市建设设计研究总院,2010.

[2] 上海市城市建设设计研究总院,南昌市城市规划设计研究总院.朝阳大桥工程初步设计图[Z].上海:上海市城市建设设计研究总院,2012.

[3] 上海市城市建设设计研究总院,南昌市城市规划设计研究总院.朝阳大桥工程施工设计图[Z].2013.

[4] 李淑琴,万水,张长青.波形钢腹板的设计与制造[M].北京:人民交通出版社,2011.

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[6] 河南省交通运输厅交通勘察规划设计院有限公司.DB41/T 643—2010公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范[S].郑州:河南省交通勘察规划设计院有限公司,2010.

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[8] 孙洁,刘磊,彭益.波纹钢腹板简支结合箱梁的截面优化[J].铁道标准设计,2012(9):61-62,69.

[9] 武志军.预应力混凝土斜拉桥考虑剪力滞效应的主梁应力监控[J].铁道标准设计,2012(9):73-76.

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[11]戴公连,粟淼,闫斌,等.槽型梁斜拉桥塔梁固结区受力分析及构造细节[J].桥梁建设,2013,43(4):61-67.

[12]安永日,吕成林,燕海蛟,等.波形钢腹板组合箱梁矮塔斜拉桥塔墩梁固结段受力分析[J].世界桥梁,2013,41(3):12-16.

Overall Design of Main Bridge of Chaoyang Bridge

ZHENG Yong-yang1,2,FU Ming-fu1
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Nanchang University,Nanchang 330031,China; 2.Nanchang Urban Planning Design and Research Institute,Nanchang 330038,China)

The main bridge of Chaoyang bridge is totally 1208m long.This paper summarizes the new materials,new workmanships,new techniques,engineering characteristics and key techniques designed for the bridge.In view of and for better use of the wide Ganjiang River waters,including the test track and planned main channel,the main bridge is arranged to be a six-pylon cable-stayed bridge with spans of(79+5×150+79)m.The main girder is a corrugated steel web-PC composite beam.The pylons adopt the“diamond-shaped”model and the spacing of the stay cables is 6.5m to optimize the architectural modeling,material consumption and mechanical performance.The main girder is fixed with the pylon and separated from the pier,and the ratio of the side span and central span is 0.53 that guarantees the best structural performance of the whole bridge.

Cable-stayed bridge;Composite structure;Corrugated steel web;Box girder;Stay cable; Support system;Bearing system;Design

U448.27

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.022

1004-2954(2014)12-0089-05

2014-05-13;

2014-05-31

郑永阳(1982—),男,博士研究生,E-mail:z_yong_y@ 163.com。