某大跨径矮塔斜拉桥设计研究

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.i s s n .1674-6066.2024.02.020某大跨径矮塔斜拉桥设计研究
杨吉红1,熊 娟2
(1.湖北交投武天高速公路有限公司,天门431701;2.
湖北省交通规划设计院股份有限公司,武汉430051
)摘 要: 以某高速公路为研究背景,
基于工程特点和地质条件,依托规范,进行整体建模计算分析,设计了某大跨径矮塔斜拉桥㊂上部结构采用预应力混凝土部分斜拉桥,跨径布置为118m+220m+118m ,单箱双室大悬臂斜腹板展翅宽幅箱形主梁,人字形主塔,单索面扇形㊁横向双排布置斜拉索,塔梁墩固结体系;下部结构采用双肢薄壁墩㊁群桩
基础㊂该设计结果可以满足桥梁结构稳定性保障㊁经济效益控制以及桥梁环保设计等方面的需求㊂
关键词: 斜拉桥; 桥梁设计; 双肢薄壁墩; 结构验算
R e s e a r c ho n t h eD e s i g no f aL a r g e -s p a nE x t r a d o s e dC a b l e -s t a y e dB r i d g
e Y A N GJ i -h o n g 1
,
X I O N GJ u a n 2(1.H u b e i C o mm u n i c a t i o n s I n v e s t m e n tW u t i a nE x p r e s s w a y C o ,L t d ,T i a n m e n431701,C h i n a ;2.H u b e i C o mm u n i c a t i o n sP l a n n i n g a n dD e s i g
n I n s t i t u t eC o ,L t d ,W u h a n430051,C h i n a )A b s t r a c t : W i t ha ne x p r e s s w a y a s t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ,b a s e do ne n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s ,g e o l o g i c a l c o n d i -
t i o n s a n dd e s i g nc o d e ,t h e f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l a n a l y s i sw a sc a r r i e do u t t od e s i g na l a r g e -s p a ne x t r a d o s e dc a b l e -s t a y e db r i d g e .T h es u p e r s t r u c t u r ea d o p t s p r e s t r e s s e dc o n c r e t e p a r t i a lc a b l e -
s t a y e db r i d g e w i t hs p a na r r a n g e m e n to f 118m+220m+118m ,s i n g l eb o x a n dd o u b l e c h a m b e r l a r g e c a n t i l e v e r d i a g o n a lw e bw i d e b o x g i r d e r a n dH e r r i n g
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n .K e y w o r d s : c a b l e -s t a y e db r i d g e ; b r i d g e d e s i g n ; d o u b l e -l i m b t h i n -w a l l p i e r ; s t r u c t u r a l c h e c k i n g 收稿日期:2023-10-11.
作者简介:杨吉红(1975-),高级工程师.E -m a i l :332859467@q q .c o m 通讯作者:熊 娟(1983-),高级工程师.E -m a i l :39089530@q q
.c o m 为推进当地区域一体化及城市高质量发展,完善国家高速公路网,构建省级综合立体交通网骨架,需在某
高速公路段修建一座桥梁连接水库两岸㊂项目建设有助于加强国内东部区域主要经济区的联系,促进城市群㊁各都市圈等区域协调发展,对改善沿线区域交通出行条件㊁推动乡村振兴和新型城镇化建设具有重要意义㊂
因此,修建该桥是某高速公路施工建设的重要工程节点,也是本次施工建设的难点㊂该项目从安全性㊁经济性㊁环保性及桥梁周围地貌㊁土壤地质特点㊁抗震设计要求及水库水文特征等出发,综合考虑线路㊁路基㊁路面㊁桥梁㊁立交㊁不良地质㊁环保景观等多方面的影响,对某大跨径矮塔斜拉桥的设计进行了研究,并根据已有设计资料㊁现场施工条件等,对桥梁的整体构造及尺寸进行了拟定,对相应的设计细节提出了解决方案㊂
1 工程技术条件
1.1 工程地形㊁
地貌简介桥梁区地貌单元属于中低山区,微地貌为侵蚀低起伏山㊂某大跨径矮塔斜拉桥跨越道路及水库,沟谷呈
U
型㊂两侧桥台位于山体斜坡部位,植被茂密,以竹林为主㊂沟谷范围内分布有水沟㊁道路及房屋,桥址区5
8建材世界 2024年 第45卷 第2期
有水泥路可到,交通便利㊂1.2 工程地质特点
该工程上覆土层①层为第四系全新统填土层(Q 4m l
)
,平均厚度为0.33m ,下伏基岩为元古代-晚太古代姜河片麻岩(J G )闪长片麻岩层,闪长片麻岩层自上而下分布为全风化闪长片麻岩层(4.27m )㊁强风化闪长片麻岩层(3.50m )㊁中风化闪长片麻岩层(20.38m 未揭穿)
㊂详细地层分布特征如表1所示㊂表1 地层分布特征一览表
层号岩土名称颜色状态包含物/R Q D /%岩石坚硬/节理发育程度层顶标高/m
层底标高/m
平均层厚/m ①种植土
灰褐色
松散
含植物根系
-136.11~205.50135.61~205.200.33②全风化闪长片麻岩灰黄色砂土状--135.61~205.20125.71~204.204.27③强风化闪长片麻岩灰色极破碎--125.71~204.20124.91~203.40
3.50
④
中风化闪长片麻岩
灰色
较完整
80~90坚硬岩/节理发育
124.91~203.4097.99~180.5020.38未揭穿
桥位区未发现断裂构造发育,
区域构造稳定性较好㊂根据此次工程地质调绘,两侧桥台处主要发育4组节理裂隙,如表2所示㊂
表2 节理裂隙统计表里程桩号节理编号节理产状节理间距/c m 节理描述
K 116+260右6.0m J 1140ʎø85ʎ20~30延伸1.5m ,微张,被水浸染J 2240ʎø78ʎ10~20延伸2.5m ,微张,被水浸染K 117+275左20.0m
J 1335ʎø36ʎ10~20延伸2.5m ,微张,被水浸染J 2
92ʎø60ʎ
5~10
延伸1.5m ,
微张,被水浸染 拟建场区未见活动断裂及影响场地稳定性的岩溶㊁滑坡㊁崩塌㊁泥石流㊁采空区㊁地面沉降及地震液化等不良地质作用,且水库岸坡稳定,无塌岸现象㊂某大跨径矮塔斜拉桥选址地质条件稳定,适宜进行桥梁建设㊂1.3 抗震设防要求
根据‘工程场地地震安全性评价报告“,该工程场地基本地震动峰值加速度值为0.15g ,基本地震动加速度反应谱特征周期值为0.35s ,对应地震烈度为Ⅶ度㊂桥梁两侧桥台位于山体上,表层分布有0.30~
0.50m 的种植土,
种植土属于软弱土;沟谷处分布种植土及填土,厚度较薄,综合判定场地类别为Ⅱ类㊂拟建桥位处分布有覆盖层,厚度不大,总体为基岩场地,桥位处为侵蚀低起伏山地貌,跨越沟谷,判断工程场地为抗震一般地段㊂1.4 水文特点
该工程线路桥位范围内分布有水库,该水库是多年调节水库,总库容26.32亿m
3
,水库防洪高水位132.60m 时,对应蓄水17.25亿m 3㊂死水位为100.00m ,对应蓄水2.34亿m 3
㊂水库水位达汛限水位125.00m 高程时,蓄水12.27亿m 3,水库水面面积达59.21k m 2㊂水库正常蓄水位为128.00m ,蓄水14.13亿m 3
㊂桥梁跨越处宽约150.0m ,沟底水深约10.0m ,
地表水主要接受大气降水补给,水量受季节影响明显㊂
桥址区场地地下水主要为基岩裂隙水㊂基岩裂隙水主要赋存于全风化㊁强风化及中风化闪长片麻岩中,受大气降水的下渗补给,地下水埋深2.50~8.70m ,水位高程为131.19~196.90m ㊂某大跨径矮塔斜拉桥选址地质条件良好,水文稳定,条件适宜进行大跨度桥梁建设㊂
2 桥梁设计标准
该项目道路等级为高速公路,设计车速为100k m /h ,采用双向四车道㊂桥梁设计荷载为公路-Ⅰ级,
设计基准期为100年,设计安全等级取一级,结构安全性系数取1.1,设计洪水频率1/300,环境类别取Ⅰ类环境,桥位场区地震动峰值加速度系数为0.15g ,
基本地震动反应谱特征周期为0.35s ,地震设防烈度为Ⅶ度,主桥抗震措施等级为四级,引桥抗震措施等级为三级㊂6
8
3桥梁设计方案
结合安全性㊁经济性㊁环保性的设计理念,根据桥位处地形㊁地貌及工程地质条件,同时基于通航和水利要求,由于预应力混凝土桥梁具有承载能力高㊁变形小㊁耐久性好等优点[1],因此,该大跨径矮塔斜拉桥上部结构采用预应力混凝土部分斜拉桥[2]㊂桥总长456m,跨径布置为118m+220m+118m,如图1所示,单箱双室大悬臂斜腹板展翅宽幅箱形主梁,人字形主塔,单索面扇形㊁横向双排布置斜拉索,塔梁墩固结体系,下部结构采用双肢薄壁墩㊁群桩基础㊂主墩采用塔梁墩固结体系,在边支点设置抗震球型支座,主梁过渡墩处各设置一道320型伸缩缝㊂
主桥采用整体式断面,桥面布置为:0.5m(护栏)+11.5m(行车道)+0.5m(护栏)+2.5m(中央分隔带/锚固区)+0.5m(护栏)+11.5m(行车道)+0.5m(护栏)=27.5m㊂
3.1主梁设计
主梁采用C60预应力混凝土单箱双室大悬臂斜腹板展翅宽幅箱梁,如图2所示,该结构具有高强㊁薄壁㊁轻型化㊁不设跨内横隔板等特点,且横向受力性能突出[3]㊂箱梁顶板宽27.5m,双向2%横坡,外腹板倾斜角度为80.8304ʎ,底板宽度根据梁高逐渐变化,底板宽度从中支点12.0m逐渐变化至跨中的13.291m,悬臂长6.75m,悬臂下每隔3.5m设置一道加劲肋,加劲肋厚30c m,根部高度2.2m;箱梁梁高为:中支点为7.5m㊁跨中为3.5m,底板厚度:中支点为100c m㊁跨中为32c m,梁高和底板厚度均按1.8次抛物线规律变化;箱梁顶板厚28c m,中支点处顶板厚58c m㊂箱梁边腹板水平向标准宽60c m,中支点附近梁段为70c m,通过一个梁段进行变化;中腹板标准宽50c m;腹板在中支点附近进行了局部加宽㊂梁上塔根处无索区长度28.5m,跨中无索区长度16m,拉索区长度73.5m,梁上索距7.0m;沿桥长方向每隔3.5m设置一道横隔板,边箱室横隔板宽30c m,中箱室拉索区横隔板宽50c m,无索区横隔板宽30c m,拉索区横隔板设置人孔,非拉索区横隔板采用大挖空方案以减轻箱梁重量;箱梁分别在中支点㊁梁端设置横梁,中支点处横梁位置与双薄壁墩位置对应,中心间距8.5m,宽2.5m,梁端横梁宽1.5m㊂为方便箱梁的后期养护,端横梁上缘设置牛腿,下部预留75c m缝隙以供后期养护人员进入箱梁内部进行检修㊂
箱梁采用三向预应力体系,纵向预应力钢束分别采用16股和19股钢绞线;顶板横向预应力钢束采用4股钢绞线;竖向预应力筋采用4股钢绞线,二次张拉工艺㊂
箱梁共划分为0~31#块,其中0#块长15m,1#~29#块长3.5m,30#块为合龙段㊁长2.0m,31#块为
78
边跨现浇段㊁长6.8m ㊂0#块采用支架或托架现浇,1#~29#块采用挂篮悬浇,31#块采用支架或托架现浇,
30#块采用吊架现浇㊂3.2 主塔设计
现阶段主塔的结构形式有H 形㊁A 形和
人 字形等[4]
,其中 人 字形桥塔比例协调,与周围景观融合较好,因此该桥采用人字形C 60混凝土塔,
如图3所示㊂塔柱位于中央分隔带位置,桥面以上塔柱竖向高42m ,矩形实体断面,塔柱横桥宽2.5m ;塔柱顺桥向顶宽3.2m ,
向下截面顺桥向尺寸逐渐扩大,坡率1ʒ0.05,通过拉索区后塔柱分为两肢,坡率为1ʒ0.12㊂塔身设置鞍座以便拉索顺利通过,塔上斜拉索理论竖向间距1.5m ,
横向单索面㊁双排布置
㊂3.3 斜拉索和鞍座设计
斜拉索采用单索面扇形布置,横向双排,在塔上理论竖向间距为1.5m ,
利用鞍座通过塔柱;在梁上标准间距为7.0m ,采用齿块方式进行锚固,张拉端均设置在梁端㊂斜拉索采用Φs 15.2mm 钢绞线,
其标准强度f p
k =1860M P a ,截面面积A y =140mm 2,弹性模量E p =1.95ˑ105
M P a ㊂斜拉索单索面共11对㊂塔上的转向和锚固鞍座应采用分丝管形式,每根分丝管穿一根钢绞线,以利于单根穿索㊁单根张拉㊁单根
测试检查,并可以单根钢绞线调索和换索,在鞍座内灌注专用填充型密封胶(成桥后或大桥运营期间都不得在锚固区或塔柱鞍座内裸露的钢绞线表面直接灌环氧树脂㊁沥青或水泥浆,使钢绞线不能单根更换)㊂3.4 主墩和过渡墩及基础设计
为满足结构受力并兼顾景观需求,主墩采用具有良好抗震性能的X 形双肢薄壁墩[5]
,墩柱横向宽为
12.0m ,墩柱顶部顺桥向双肢间净距6.0m ,按照1ʒ0.12坡率向下逐渐收窄,
在主墩中部附近合并,向下按照1ʒ0.12坡率逐渐扩大,双肢壁厚均为2.5m ㊂主墩承台采用整体式承台,承台尺寸为19.0mˑ19.0mˑ5.0m (横桥向ˑ顺桥向ˑ高),承台下设16
根直径2.5m 钻孔灌注桩基础㊂墩身采用C 50混凝土,承台采用C 35混凝土㊂
过渡墩采用分离式等截面空心薄壁墩,墩身尺寸为5.5mˑ3.0m (横桥向ˑ顺桥向),壁厚为60c m ,
横隔板每10m 设置一道,横隔板厚40c m ㊂墩顶设置盖梁接引桥30m 小箱梁㊂盖梁㊁墩身采用C 40混凝土,承台采用C 30混凝土,桩基均采用C 30水下混凝土㊂
3.5 结构验算
上㊁下部结构验算按照‘公路桥涵设计通用规范“(J T G D 60 2015)进行荷载组合㊂箱梁纵向整体计算满足全预应力混凝土结构要求;端横梁㊁中横梁和桥面板满足A 类预应力混凝土结构要求;齿块㊁端部锚固8
8建材世界 2024年 第45卷 第2期
建材世界2024年第45卷第2期区构造及计算均满足‘公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范“(J T G3362 2018)要求;斜拉索承载力满足‘公路斜拉桥设计规范“(J T G/T3365-01 2020)要求㊂
4结论
根据某高速公路段大跨径矮塔斜拉桥工程特点㊁地质条件以及设计标准,对其中的桥梁设计方案进行了研究,在保障桥梁质量的基础上考虑经济效益和绿色环保的协调的前提下,设计了一座预应力混凝土部分斜拉桥,总长456m,跨径布置为118m+220m+118m,单箱双室大悬臂斜腹板展翅宽幅箱形主梁,人字形主塔,单索面扇形㊁横向双排布置斜拉索,塔梁墩固结体系,下部结构采用双肢薄壁墩㊁群桩基础㊂主墩采用塔梁墩固结体系,在边支点设置抗震球型支座,主梁过渡墩处各设置一道320型伸缩缝㊂
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98。