南京市跨秦淮河自锚式悬索桥设计

2015-11-30黄东初

城市道桥与防洪 2015年11期

关键词：加劲梁吊索主缆

黄东初

(南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京 210018)

南京市跨秦淮河自锚式悬索桥设计

黄东初

(南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京 210018)

南京市小龙湾跨秦淮河大桥主桥采用跨径(44+96+44)m的三跨自锚式悬索桥，双塔双索面布置，主塔采用灯塔造型，跨中主缆矢跨比为1/5.5，主缆锚固在加劲梁梁端，加劲梁为预应力混凝土结构。主塔与加劲梁采用分离的形式，桥梁纵向采用半漂浮式结构，设计构思独特。以该桥为工程背景，介绍这类桥梁设计构思，通过有限元计算分析受力特性，并对此类桥型的发展、应用前景进行分析。

小龙湾;自锚式悬索桥;有限元分析;加劲梁;半漂浮;施工技术要点

1 工程概述

南京市江宁区小龙湾路为东山新市区杨家圩小龙湾地区规划的一条主干路，西端与现状西门子路对接，将秦淮河两岸实现沟通。该工程主桥所处位置河道上口宽约150 m，常水位标高为7.50 m，秦淮河远期按Ⅳ级航道要求进行规划。小龙湾路南侧为高层建筑群，该桥采用建筑高度较小的自锚式悬索桥，既可形成自己独特的桥梁造型，又可降低桥上建筑对高层建筑的景观影响，见图1。

图1 成桥图片

主桥采用三跨双塔双索面的自锚式悬索桥，引桥采用30 m跨预应力混凝土连续箱梁。主桥跨中设置变坡点，跨中两侧设置2.82%的对称坡，竖曲线半径为R=1 350 m;跨中桥面设计高程为19.424 m。设计荷载采用公路- I级;人群荷载按3.5 kN/m2。

工程范围西起庄排路，东至规划的潭园路，全长1064.22 m，其中主桥长184 m，引桥长270 m，引道长174 m，其余为现状道路加宽改造及部分新建道路段。

2 工程设计

2.1 总体布置

主桥采用三跨自锚式悬索桥结构，双塔双索面布置，跨径组合为44 m+96 m+44 m=184 m。主塔采用灯塔造型，主缆成桥线形采用二次抛物线，跨中主缆矢跨比为1/5.5，主缆锚固于加劲梁梁端，加劲梁为预应力混凝土结构，主缆横桥向中心距18 m。加劲梁采用现浇预应力混凝土箱梁，梁高1.74～2.0 m。吊索标准间距为5 m，箱梁每5 m设置一横梁与吊索对应。主塔基础采用直径为1.5 m的钻孔灌注桩群桩基础，桥面宽34.5 m。具体见图2及图3。

图2 主桥总体布置图(单位:m)

2.2 主桥结构设计

主缆共2根，采用对称布置，成桥状态下主跨跨度96 m，矢跨比为1/5.5，边跨矢跨比为1/14.8，两主缆缆心横向间距为18 m;设计采用每根主缆由37股预制平行(PPWS)钢丝成品索组成，每股成品索由91丝φ5.1 mm的钢丝组成，标准强度fpk=1 670 MPa。其在索夹内直径为326.8 mm(空隙率18%)，索夹外直径为330.9 mm(空隙率20%)。

主塔采用双柱加系梁的框架结构体系，塔顶索鞍下缘及塔底加劲梁下缘各设置一横梁，下横梁上设置支座，承担部分竖向荷载。主塔结构总高35.4 m，其中桥面以上结构高22.6 m，为C40钢筋混凝土结构;塔身为变截面布置，标准截面尺寸为1.8 m×2.8 m(横桥向×顺桥向)，并设置20 cm×20 cm的倒角，桥面以上至上横梁顶以下段塔体两面设置10 cm的凹槽，槽宽50 cm;塔底截面尺寸为3.0 m× 4.0 m(横桥向×顺桥向)，倒角为55 cm。

吊索共33对66根，两边跨各7对，主跨19对，吊索标准间距5 m，主塔两侧吊索距塔轴线3 m。吊索采用单根109丝φ7.1 mm高强镀锌钢丝组成的成品钢丝索(带PE护套)，冷铸锚锚固体系。吊索与索夹采用耳板销接，下端与梁体用冷铸锚锚固于横梁底部，张拉端设在箱梁底部。

索夹采用两个铸钢半圆构件组成，采用高强螺栓对接(上下对接)，全桥共有33对索夹，索夹及附件的防腐措施采用喷涂防腐油漆，油漆分多道喷涂。

主索鞍由鞍体、索鞍底座上平板及盖板等组成，全桥共4个。鞍体采用ZG275-485H铸钢整体铸造，底部设6 mm不锈钢板。底座上平板为Q345C钢板，上铺四氟乙烯板，以保证鞍体在施工阶段可纵向移动。

散索套固定于主桥加劲梁内，为适应主缆轴向位移，散索套体与压板、底座之间设3 mm四氯滑板。散索套体为全铸钢件，采用上下对合结构，由等直径的摩阻段和变直径的散索段组成，上下两半散索套体用高强螺杆连接紧固。

主缆锚头: 索股两端设索股锚头，索股锚头采用热铸锚，在锚杯内浇注锌铜合金，使主缆钢丝与锚杯相连。主缆经散索套后，呈辐射形散开，每根主缆分成37股，分别锚固在主梁锚块上。

吊索锚头:吊索上下锚头均采用冷铸锚。上锚头由锚杯与叉形耳板销轴连接，锚杯内浇铸环氧砂浆，下锚头通过锚垫板直接锚固于主梁上，这种连接简化了主梁吊点设计，允许吊索有±20 cm的长度调节以消除施工误差影响。

加劲梁为现浇预应力混凝土箱梁，除边跨端锚段采用变高度截面外，其余均为纵向等高度截面。箱梁截面为两个单箱三室的箱梁，两个箱梁通过内侧悬臂及横梁连接为一整体。箱梁标准梁高为1.74～2.0 m;主缆锚固区的端锚段高4.5～4.67 m，主要用作主缆锚固及平衡压重用。

3 结构计算

3.1 计算分析

采用有限单元法建立全桥分析模型，分别计算各种作用对各主要构件产生的效应，参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)和《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)进行作用效应组合，根据组合值进行构件截面验算和配筋计算。有限元软件采用MIDAS/Civil。

全桥计算模型考虑吊杆与加劲梁刚性连接，见图4及图5。

图4 MIDAS全桥模型

图5 全桥计算模型

3.2 主要计算结果

3.2.1 主缆计算结果

在运营阶段主要荷载工况组合下，主缆最高应力为637.9 MPa，满足规范规定安全系数为2.5 的要求;吊索最高应力为709 MPa，安全系数为3.1 (规范规定值3.0)，满足要求。计算结果见图6。

图6 主缆内力(单位:kN)

3.2.2 吊杆计算结果

吊索张拉过程非线性分析表明，在张拉全过程中吊索内力变化幅度较大，部分吊索一次张拉应力高于施工控制应力，需要分步张拉，吊索的详细张拉方案有待进一步研究优化。计算结果见图7和表1。

图7 吊索内力(单位:kN)

表1 成桥吊索张拉力计算表(单位:kN)

3.2.3 加劲梁计算结果

(1)梁单元整体分析结果表明，主梁纵向预应力配置基本合理，在运营阶段混凝土梁受力良好，除端跨锚固段外，主梁处于全截面受压状态，上翼缘最大压应力13.0 MPa，下缘最大压应力为11.1 MPa。计算结果见图8-11。

图8 加劲梁轴力(单位:kN)

图9 加劲梁弯矩(单位:kN·m )

图10 加劲梁顶板应力(单位:MPa)

图11 加劲梁底板应力(单位:MPa)

(2)在最不利荷载组合下主梁最大变形发生在主跨跨中，向下竖向变形值为78 mm，如图12满足《公路悬索桥设计规范》(报批稿)[1]的规定为320 mm(L/300， L 为跨度96 m)。

图12 主梁变形(单位:mm)

(3)各种荷载作用和组合下，加劲梁端的最大纵向伸缩量为-11 mm～51 mm。

4 施工技术要点

主缆锚固于加劲梁两端后，吊索未与加劲梁连接前为空缆线形，主缆的空缆线形与成桥线形有较大差异，空缆状态下的吊索端部距离加劲梁上的锚座有较大的距离，为此需要采用张拉吊索使得锚头就位的安装方法。吊索与加劲梁连接的过程是复杂的结构体系转换过程，在这过程中，结构受力模型、体系内力和变形都不断的发生变化，其中比较明显的有:

(1)主缆从低应力状态过渡到高应力状态。

(2)吊索逐根的由零应力过渡到设计应力状态。

(3)加劲梁受力体系由满堂支架过渡到弹性支撑多跨连续梁，线形发生多次变化;加劲梁的受力状态也随着变化。