空间框架桥塔多跨斜拉桥总体结构设计及计算分析
2015-01-09孙旭霞
孙旭霞
(同济大学建筑设计研究院桥梁分院,上海市200092)
1 设计概要
随着经济的发展,在城市重点景观地带,建造一座具有地标性、景观性的桥梁结构,是每个城市,以及建筑师的追求[1]。在宜兴市范蠡大桥新建工程方案设计中,以宜兴当地文化符号为构思来源,与宜兴当地特有的文化民俗等相结合,在结构表现上努力体现时代气息,在领会传统文化神韵的同时,发扬创新精神,大胆开拓,采用独特的多跨空间框架式钢索塔斜拉桥(见图1)。作为一个新颖的结构形式,如何保证景观效果、受力安全,以及施工可行性,是决定桥梁结构成败的关键。
图1 宜兴市范蠡大桥效果图
2 设计思路及难点分析
2.1 结构整体布置形式与受力
(1)该桥索塔为空间框架式索塔,系原创方案,造型独特。为了到达建筑的造型,截面变化规律异常复杂,设计难度远远超过常规公路和城市桥梁的索塔,能否通过结构设计实现这种建筑造型需进行仔细的分析。
(2)三塔四跨布置形式的斜拉桥结构总体设计存在与常规单塔或双塔斜拉桥桥塔总体设计诸多不同之处。在荷载作用下多塔、多跨梁和众多斜拉索等构件间的传力机理与常规的单塔斜拉桥及双塔斜拉桥大不相同,在多塔多跨斜拉桥中构件间受力耦合复杂程度比单塔斜拉桥及双塔斜拉桥严重,传力机理更为复杂。
(3)三塔四跨布置形式的斜拉桥结构的塔梁刚度匹配问题、不同塔柱的刚度匹配问题、单个塔柱的塔柱与横梁刚度匹配问题对结构的静力特性和动力特性产生何种影响,需结合具体结构进行仔细分析研究。
(4)该桥的索塔塔柱采用了变截面的八边形结构,八边形结构的受力与四边形结构有较大差别,同时变截面八边形在不同位置上的受力也不同,这种变截面八边形塔柱的受力机理和应力传力途径需进行仔细分析研究。
2.2 结构局部布置形式与受力
(1)桥塔中每个塔柱的上下塔柱交汇处分别与两道横梁相连,塔柱为折线,板壁受力发生突变,需增加隔板平衡分力。该部位上下塔柱均为变截面的八边形结构,上下塔柱的轴线斜交,上下塔柱交汇点同时又要连接两道截面形式为四边形的横梁;该部位是把上塔柱的力传到下塔柱的关键部位,由于上下塔柱的轴线斜交,使得该部位的板件构造极其复杂。
(2)桥塔中4个下塔柱通过两道十字形横梁相连,其中与桥梁横桥向平行的横梁除了连接下塔柱外,还要支撑主梁并承担主梁传来的竖向荷载、水平制动力和地震力等,该横梁在与下塔柱相连的节点处会产生巨大的弯矩和剪力。由于该部位是把横梁的力传到下塔柱的关键部位,该节点的结构构造和板件受力极其复杂,常规的杆系计算理论难以分析该部位结构受力情况。
(3)由于该桥的桥塔中间塔柱设置斜拉索相连,还由于塔柱为八边形,结构空间小,锚固结构布置困难,为改善操作空间和焊接条件,该塔柱中连接斜拉索和平行拉索的锚固结构与常规斜拉桥中的拉索锚固结构不同。
(4)全钢结构的塔柱底部与混凝土承台连接处存在不同材料传力与连接问题。由于采用四塔柱结构形式而且每个塔柱采用了空间倾斜布置形式,使得塔柱在靠近承台部位除了承受轴力外还要承受较大的弯矩,该弯矩作用会使得与塔柱相连的混凝土受力不均匀,有可能使得承台混凝土局部的拉应力较大,这种受大偏压作用的塔柱与混凝土承台的连接方法是该桥设计的又一个难点。
3 结构设计
范蠡大桥主桥跨径布置为82 m+168 m+168 m+82 m=500 m(见图2)。主梁采用了连续梁支撑体系;边塔单边采用7对斜拉索、中塔单边采用9对斜拉索,斜拉索梁上间距为6.4 m,塔上间距约为2 m,并排两根拉索间距0.6 m,使用状态最大斜拉索力250 t左右;塔上平衡拉索与斜拉索一一对应,使用状态最大索力130 t左右;主塔采用钢塔结构;主梁采用钢梁结构;基础采用钻孔桩基础。
图2 整体立面布置示意图(单位:mm)
主梁采用全封闭钢箱梁结构,中心梁高2.8 m。标准断面全宽39 m,其中悬臂5.3 m;塔处断面加宽到49 m,悬臂10.3 m。标准横隔板间距3.2 m,悬臂隔板间距6.4 m。标准断面顶板厚16 mm,底板厚14 mm,标准断面中腹板厚30 mm,边腹板厚16 mm。索塔负弯矩区域顶板、中腹板、边腹板加厚到36 mm,底板加厚到42 mm。悬臂结构采用纵横向梁格体系,悬臂各道纵梁以横隔悬臂板为支撑,人行道板以各纵梁为支撑,考虑过桥管线的需要,纵向每隔1 m在纵梁间设置型钢作为支撑,考虑将来桥下景观因素,型钢下设置封板。按12.8 m一个节段,全桥共41个节段,标准节段重量约207.3 t;塔区最重节段约474.2 t;每平米指标0.50 t/m2。
全桥共有三个索塔,一个中塔和两个对称布置的边塔。索塔采用空间四塔柱框架结构,顺桥向和横桥向分别布置两根塔柱,其中顺桥向塔柱布置斜拉索及平行拉索,称为有索塔柱,横桥向塔柱称为无索塔柱。四根塔柱采用上中下三道横梁连接构成整体空间框架结构,其中,下横梁采用“十”字型横梁布置,上中横梁采用“口”型横梁布置。各塔柱采用八边形截面。塔柱采用Q345qD钢材。
斜拉索采用GJ15-27挤压型钢绞线斜拉索,扇形平行双索面,索面平行,间距0.6 m,梁上拉索间距为6.4 m,全桥共92根,抗拉强度1 860 MPa。斜拉索安全系数大于2.5。采用梁端张拉,塔端固定。水平索采GJ15-15挤压型钢绞线拉索,平行双索间距0.6 m,塔上拉索间距由2.10 m变化至下部2.60 m,全桥共46根,抗拉强度1 860 MPa。水平索安全系数大于2.5。塔上张拉,需在塔上吊环安装固定后,从吊环开孔中穿过安装、张拉,并需要与斜拉索张拉一一对应。
4 主要设计标准
(1)道路等级:城市快速路。
(2)设计车速:80 km/h。
(3)设计荷载:汽车荷载为公路-I级,人群荷载按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)取用3 kN/m2。
(4)设计基准期:100 a。
(5)结构安全等级:一级;环境类别:II类。
(6)设计基本风速:28.3 m/s。
(7)防撞栏杆等级:SA级、SAm级。
5 结构分析
5.1 总体计算分析
该桥为单索面斜拉桥,梁高以横向受力控制,纵向受力梁高略显富裕,因此,总体设计采用恒载索力适当放松,充分发挥主梁的作用,适当降低桥塔的负担[2]。
图3为三种支承形式的主梁弯矩图。
图3 3种支承形式的主梁弯矩图
该项静力计算采用桥梁结构专用有限元分析软件“Midas Civil”对桥梁进行整体静力计算。全桥离散为1 271个节点,1 276个梁单元,138个桁架单元。模型边界条件处理:承台采用十字交叉梁单元模拟,交点固结;主塔根部与承台刚性连接;主梁与主塔间,主梁在过渡墩处,均采用支座等效弹性刚度模拟。结构计算离散图如图4所示。
图4 全桥计算模型
5.2 索力计算结果
一方面由于独特的造型,斜拉索和平行拉索之间的索力平衡以保证桥塔局部区域变形及受力;另一方面,多塔斜拉桥中塔拉索及边塔拉索的平衡匹配以确保三个桥塔的整体变形及受力,因此在设计中,以控制桥塔局部及整体受力变形,以及优化梁的内力为原则来确定合理的成桥索力。反复试算后最终确定结构达到理想状态下的成桥索力[3],见表1所列。
主要组合下,斜拉索最大索力为2 347 kN,最小索力为1 035 kN。主要组合下水平索最大索力为1 245 kN,最小索力为754 kN。最不利组合下斜拉索的安全系数都大于3.0。
5.3 主梁计算结果
考虑单索面斜拉桥抗扭的需要,主梁采用全封闭的钢箱梁;在确定适当施工方法后,调整合理的索力,得到该桥恒载弯矩见图5所示。其主梁标准组合应力汇总见表2所列。
图5 主桥恒载弯矩图
5.4 索塔计算结果
标准组合下桥塔表现的轴力、面内、外弯矩分布如图6所示。
表1 成桥索力表(单位:kN)
表2 主梁标准组合应力汇总一览表
图6 桥塔轴力及面内、面外弯矩分布图
桥塔应力计算需要考虑整体稳定及局部稳定折减,应力分布列于表3。
表3 各阶段各部位应力分布表
6 结论
在景观造型方面,该桥独特的桥塔造型建成后无疑将成为当地的地标性建筑。
在结构处理方面,上下塔柱的交汇节点的构造处理,塔脚的锚固处理,以及拉索的锚固构造都可以为同类桥梁的构造处理提供参考和借鉴。
在计算分析方面,主梁的板厚取值考虑横向和纵向受力情况,分区分块,并充分考虑钢结构板厚的过渡,以6 mm~8 mm为一级进行板厚的过渡,此外,还考虑到腹板的厚度与顶底板厚度的匹配关系。桥塔的计算分析既考虑整体稳定的折减系数又考虑到局部稳定的折减系数,最终确定各区段的容许应力值,并分区段取塔壁厚度。以上计算思路为今后钢桥的计算提供了一套思路和方法。
[1]和丕壮.桥梁美学[M].北京:人民交通出版社,1999.
[2]吴冲.现代钢桥[M].北京:人民交通出版社,2006.
[3]李传习,廖金德.斜拉索静力分析综述[J].中南公路工程,2002,(2):33-34.