泓口大桥自锚式悬索桥加劲梁设计

2015-02-10郭永建

交通科技 2015年2期

郭永建

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉 430050）

溧阳市开发区泓口大桥，上跨芜申线III级航道，为航道改线截断省道S241而增加的桥梁。采用先建桥梁后开挖航道的顺序进行。泓口大桥主桥设计为双塔自锚式悬索桥，跨径布置为：10m＋42m＋102m＋42m＋10m＝206m。主跨主缆理论垂度为17m，理论垂跨比为1∶6；边跨主缆理论垂度为2.838m，理论跨度为42m，理论垂跨比为1∶14.799。主桥立面布置见图1。

图1 泓口桥主桥立面布置（单位：cm）

主桥桥面宽38.0m，横向布置为：3.5m（人行道）＋3.0m（缆索区）＋0.5m（护栏）＋11.75 m（车道）＋0.5m（双黄线）＋11.75m（车道）＋0.5m（护栏）＋3.0m（缆索区）＋3.5m（人行道）；桥面设±2%的横坡。主桥断面布置见图2。

图2 泓口桥主桥断面布置（单位：cm）

1 主要技术标准

（1）道路等级：一级公路。

（2）设计车速：双向6车道，60km／h。

（3）设计荷载等级：公路－I级。

（4）人群荷载：3.5kN／m2。

（5）通航净空：III级航道，通航净空60m×7 m；规划驳岸口宽度为70.0m。

（6）地震基本烈度：VII度，地震动峰值加速度：0.1g。

2 结构设计

2.1 缆索系统设计

本桥主跨矢跨比为1／6，矢高17m；成桥线形采用分段悬链线，空缆线形为悬链线。主缆采用预制平行钢丝索股，全桥共2根主缆，每根主缆含37束索股，每束索股由91丝直径4.8mm镀锌高强钢丝构成。

吊索采用镀锌平行高强钢丝索，每根吊索由91丝直径7.0mm镀锌高强钢丝组成。中跨21对吊索、边跨8对吊索。索夹采用上、下两半对合形式，由高强螺栓连接。主索鞍与散索鞍均为全铸钢构件，主索鞍下设座板以适应施工期间主索鞍相对塔顶中心线的顶推，散索鞍下设盆式滑动支座以适应主缆的微量滑动［1］。

2.2 桥塔及基础设计

主塔为钢筋混凝土柱式结构，由上、下塔柱及塔顶装饰罩2部分组成，塔高（从承台顶面算起）为31.402m，桥面以上塔高为20.482m。塔柱为实心截面，截面尺寸2.5m×3.5m（顺桥向×横桥向）。考虑主塔处支座及受力需要，下塔柱横桥向靠路线中心内侧设置加宽牛腿，加宽牛腿顺桥向宽3.0m，横桥向宽1.5m，牛腿顶上布置支座垫石。桥塔采用群桩基础，哑铃型承台，单个塔柱承台下布置9根直径为1.5m的钻孔灌注桩。

2.3 加劲梁设计

2.3.1 加劲梁功能

加劲梁是悬索桥提供结构刚度、保证车辆行驶的构件，主要功能是提供桥面支撑和防止桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形；同时也是承受风荷载和其他横向水平力的主要构件。

自锚式悬索桥凭借其优化的造型，灵活的跨径布置，良好的经济效益，于近年来逐渐受到桥梁工程师的青睐。混凝土自锚式悬索桥因加劲梁承受主缆传递的强大压力，节省了大量预应力构造及器具，同时结构刚度增大，在中小跨径的城市景观桥梁的选型与设计中具有很强的竞争力。

2.3.2 加劲梁构造

加劲梁为混凝土箱梁，采用C55混凝土［2］，双向预应力体系；边箱梁截面，主梁全长207.4m（考虑加劲梁的弹性压缩与收缩效应，主梁预伸长1.4m），主梁顶宽38m，横向设双向2%横坡。加劲梁分为锚跨区加劲梁和标准段加劲梁2大部分。锚跨段加劲梁边箱采用实体截面，梁高4.2m，与梁端横梁在构造上形成整体，横梁顶设牛腿槽口用于放置引桥支座。加劲梁断面构造见图3～图5。

图3 吊索处加劲梁构造图（单位：cm）

图4 标准段加劲梁构造图（单位：cm）

图5 锚跨段加劲梁构造图（单位：cm）

等高度标准段加劲梁长177.0m，加劲梁单个节段长4.5m。主梁标准段中心线处梁高2.5 m，边箱梁顶板厚25cm，底板厚25cm，外腹板厚45cm，内腹板厚60cm。吊索横向间距28m，纵向间距4.5m，在吊索处设置横梁，吊索锚固在边箱梁底板锚槽内。

2.3.3 加劲横梁构造

根据边箱梁结构传力需要加劲横梁分主塔加劲横梁、吊索加劲横梁、辅助墩加劲横梁、前锚室加劲横梁。

主塔加劲横梁关于桥塔中心线对称，顺桥向距桥塔中心线2.35m，宽1.0m，主塔穿过主梁处，设有3.7m×2.7m孔洞；吊索加劲横梁布置在吊索处，宽0.3m；辅助墩加劲横梁宽2.0m。

在主缆散索鞍后箱梁实体段设置前锚室，为弥补前锚室腔体对主梁截面的削弱，在该区边箱梁之间设置宽0.3m的锚室区加劲横梁。

2.3.4 加劲梁预应力布置

加劲梁为纵、横双向预应力结构，纵向预应力采用Φs15.2－12高强度低松弛钢绞线。主塔支点截面上缘配置24束Φs15.2－12钢绞线，下缘配置16束Φs15.2－12钢绞线；主跨跨中截面上缘配置16束Φs15.2－12钢绞线，下缘配置24束 Φs15.2－12钢绞线；所有预应力束均布置在箱梁腹板上、下翼缘有限宽度范围内。

加劲横梁预应力采用 Φs15.2－17，Φs15.2－19高强度低松弛钢绞线，布置在横梁内，所有预应力孔道均用金属波纹管制孔。

3 设计技术要点

3.1 加劲梁桥面线形及应力控制

加劲梁施工过程中应注意控制以下内容：主梁的脱模状态、桥面线形、主梁应力［3］。对桥面线形、主缆线形的控制终究是为了保证主梁应力的合理。由于混凝土容许应力变化范围非常有限，对混凝土加劲梁进行主梁应力的控制是非常必要的。根据以往经验，如果桥面线形、主缆线形与设计线形吻合，索鞍顶推次数和顶推量合理，主梁应力就应该是合理的。

采用MIDAS Civil软件进行空间计算分析。其中塔柱与加劲梁采用梁单元模拟，吊杆与主缆采用索单元模拟。由计算结果可见，加劲梁在成桥及运营阶段均处于全截面受压状态，截面上缘最大压应力出现在主跨跨中，截面下缘最大压应力出现在对应辅助墩位置处，最大压应力均小于规范限值（17.7MPa）。

3.2 加劲梁锚跨设计

地锚式悬索桥的理论研究已经相对完善且有众多的研究文献资料。《公路悬索桥设计规范》（报批稿）第八章专门叙述锚碇的设计和计算方法，但有关自锚式悬索桥的资料却不多见［4］。

自锚式悬索桥主缆锚固在加劲梁端部，加劲梁承受主缆传递的巨大轴向力和较大的上拔力，因此在边箱梁端部3.2m范围内设置压重加劲横梁，梁端主缆锚固处设有宽3.0m的锚槽。在锚跨段设置有前锚室、镀锌钢锚管及后锚室，主缆锚头直接穿出钢锚管锚固在梁端压重横梁上，主缆锚固构造见图6。

图6 主缆锚固构造图（单位：cm）

3.3 加劲梁锚跨计算分析

自锚式悬索桥锚跨的设计是一个重要环节。这种锚固方式很难精确计算出锚固区域的受力情况，只能根据锚跨实际的受力模式，应用空间有限元对结构进行受力分析，并根据分析结果调整锚跨尺寸，使结构受力更加合理。

针对锚跨应力的复杂状态，为进一步明确承受较大锚固应力的后锚区应力分布及内置钢管孔洞附近的应力集中现象，对锚跨采用实体模型进行结构应力分析［5］，并根据不同强度理论对其进行强度校核。模型采用实体单元模拟锚块混凝土主体，内置钢管采用壳体单元，彼此通过共用节点连接。

3.4 加劲梁收缩徐变效应

大跨径混凝土自锚式悬索桥需要同时考虑主缆非线性分析和混凝土加劲梁、桥塔收缩、徐变效应的影响。由于混凝土自锚式悬索桥加劲梁承受巨大的轴向力，加劲梁、主塔的收缩，锚固点的偏移必然会引起主缆线形发生变化，从而引起结构内力的重分布，这对结构成桥运营阶段的受力和线形都是十分不利的。根据有关文献，对已建成的某混凝土自锚式悬索桥，20年后的收缩徐变效应导致主梁跨中挠度增大了26%，弯矩增大了25.4%，影响十分显著［6］。

本桥在设计阶段采用以下措施来减小加劲梁的收缩徐变效应：①主缆锚固点向边跨侧预偏移；通过计算分析，混凝土主梁的收缩、徐变效应会使主缆锚点向跨中侧移动3.5cm左右，为了抵消主梁收缩、徐变效应的不利作用，在保证缆索系统无应力长度不变的情况下，本桥将主缆锚点向边跨侧预偏3.5cm，从而使桥塔往边跨侧预偏。主缆锚点预偏的效应与收缩、徐变的效应相反，可以保证收缩、徐变完成后主梁的内力与线形达到设计目标；抵消了收缩、徐变在桥塔底部的弯矩；②成桥1年后进行2次调索，该方法即调整边跨吊索的索力至张拉目标索力，整个过程中索鞍位置相对主塔保持固定。张拉边跨吊索后，主缆在塔顶处由于收缩徐变引起的不平衡水平力减小，主塔顶部和主缆理论顶点向边跨移动，因收缩徐变造成的主塔向主跨倾斜得到了部分恢复，塔底弯矩减小；主缆理论顶点向边跨移动，中跨主缆上移，加劲梁的线形和内力均得到改善。当然，成桥运营阶段可以通过多次调整吊索索力以减小收缩徐变效应产生的不利影响。