澧水大跨度悬索桥结构设计及受力分析

第36卷,第2期2011年4月

公路工程

H ighway Engi n eering

V o.l 36,N o .2Apr.,2011

[收稿日期]2011 02 07

[作者简介]程丽娟(1979 ),女,江苏灌南人,工程师,主要从事桥梁设计及相关理论研究。

澧水大跨度悬索桥结构设计及受力分析

程丽娟,李 瑜,朱朝银

(湖南省交通规划勘察设计院,湖南长沙 410008)

[摘 要]澧水大桥为张家界至花垣高速公路上的一座特大型桥梁,主桥采用单跨简支钢桁架悬索桥,主缆跨径布置为(200+856+190)m 。文章对澧水大桥桥型方案、矢跨比、主梁和锚碇结构形式的构思进行说明,并对主要构件的设计细节及结构计算作了详细阐述,为大跨度悬索桥的设计及计算提供参考。

[关键词]大跨度悬索桥;钢桁梁;结构设计;受力分析[中图分类号]U 448.2

[文献标识码]B [文章编号]1674 0610(2011)02 0111 04

Struct uralDesign and M echanical Analysis of Long -Span

Lis hui Suspensi on Bridge

CHENG L ij uan ,L I Yu ,ZHU Chaoy i n g

(H unan Prov i n cial C o mm unication Planning ;Survey &Desi g n I nstitute ;Changsha ,H unan 410008,Ch i n a)

[K ey w ords]g reat span suspensi o n bri d ge ;steel tr uss g ir der ;struct u ra l desi g n ;m echan ica l analy -sis

1 澧水大桥概况

澧水大桥为张家界至花垣高速公路上的一座特大型桥梁,桥位地处张家界永定区与湘西自治州永顺县的交界处,横跨澧水河峡谷,谷顶宽约420m,谷底宽约50m,谷顶与谷底高差达280m 左右。澧

水河两岸均为溶蚀和侵蚀构造成因的岩溶峡谷,地质条件非常复杂。经多个桥型方案的比选,主桥选用了主跨856m 的单跨钢桁架悬索桥方案,主缆的跨径布置为(200+856+190)m 。主桥立面布置如图1所示。桥上线路等级为公路 级,设计行车速度80km /h 。桥面全宽24.5m 。设计基准风速为33.5

图1 澧水大桥立面图(单位:c m )

m /s ,桥位处地震基本烈度为 度。2 澧水大桥总体构思

2.1 桥型方案的选择

根据地形条件,单纯从减小跨度节省投资的角度出发,桥位处 V 型河谷的地形是较适宜修筑拱桥的,但结合两岸的地质情况,花垣岸岩体为近顺向坡,坡体中分布的裂隙与岩层层面组合形成不稳定

公路工程36卷

体,且岸坡岩体已发生变形。若要修筑拱桥,必须对花垣岸不稳定岩体进行处治。本着安全的原则,重要工程结构物对于潜在的安全隐患或不良条件首先应考虑避开,然后才是处治。对于澧水大桥,即使要对花垣岸河谷顶部的危岩体进行加固处理,也存在极大的难度。一是危岩体厚度、深度均较大,采用锚索加固工程量巨大;二是危岩体陡立,施工困难,且对河谷下的茅岩河漂流影响较大,可能需要中断漂流,而茅岩河漂流是张家界的主要旅游项目,是张家界市旅游收入的重要来源;三是对于这种需要承受数万吨外部荷载的大规模危岩体的加固效果无法评估。因此,采用拱桥方案基本不可行。

通过对斜拉桥以及悬索桥的定性比较,采用悬索桥具有造型美观、跨越能力强的优点,并且可以避开岩溶发育区及危岩体等不良地质条件。若采用斜拉桥方案,由于设计高程较低,在花垣岸,斜拉桥的边跨已经切入了路基,既不经济也不美观。因此最终选定了悬索桥方案。

2.2 主缆矢跨比

地锚式悬索桥矢跨比较小,一般为1/9~1/12,以降低塔高、增大主缆拉力,获得较大的整体刚度[1-3]。由于澧水大桥花垣岸路线位于R=510m 的圆曲线内,为避免主缆锚固时与路线冲突,主缆边跨侧不宜过长。设计时分别采用1/9、1/9.5、1/10三种矢跨比进行对比计算,最终选用1/10的主缆矢跨比,取得较好的受力性能及经济指标。

2.3 主梁结构形式

大跨度悬索桥主梁的结构形式主要有钢桁梁和钢箱梁[4,5]。钢箱梁抗风性能好、用钢量较少,近年来在我国应用比较多。澧水大桥地处山区,公路运输条件受限,且桥位处不通航,因此钢箱梁节段无法运输就位。钢桁梁构件较小,拼装方便,在设计中得到应用。

2.4 桥面系形式

钢桁加劲梁桥面系主要有正交异性钢桥面板和混凝土桥面板两种形式[6-8],设计中从受力性能、工程造价等方面对桥面系采用正交异性钢桥面板及纵向工字梁与混凝土桥面板的钢-混组合结构形式进行分析比较。钢-混组合桥面系结构变位小、工程造价略低,设计时得到运用[9-10]。

2.5 锚碇

根据地形地质条件,澧水大桥张家界岸岩溶发育,岩石完整性较差,花垣岸岩石完整性较好。在设计时考虑重力式锚碇方案,同时也对花垣岸采用隧道锚方案进行对比。隧道锚利用岩体的强度对混凝土锚体形成嵌固作用,适用于岩体完整的情况。工程地质勘察揭示,花垣岸锚碇处岩体呈层状构造,且在某些位置溶蚀裂隙较发育,有多处溶蚀粗糙面。因此,澧水大桥两岸均采用重力式锚碇方案。

2.6 主梁施工方案

主要杆件、节点在工厂加工完成并在工厂将加劲桁架立体组装之后,拆分成杆件、节点运到施工现场。在张家界岸桥塔附近主缆下方布置组拼装场地,在预拼装胎架上,主桁架按每三个节段一次拼装作业进行拼装。安装缆索吊装系统,按照由跨中向两侧索塔推进的顺序吊装梁段并进行临时连接,桥塔侧端部梁段采用荡移法进行安装。进行桥面系恒载等代荷载的压重施工,完成拼装段之间刚接。撤去等代荷载,施工桥面系及附属工程。

3 桥梁结构设计

3.1 主梁设计

钢桁加劲梁由主桁架、主横桁架、上下平联及抗风上稳定板组成。主桁架为带竖腹杆的华伦式结构,由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成。上弦杆、下弦杆采用箱形截面,除支座处腹杆采用箱型断面外其余均采用工字型截面。主桁桁高6.5m,桁宽28m,标准节间长度6m。一个标准节段长度12.0m,由2个节间组成,在每节间处设置一道主横桁架。主横桁架采用单层桁架结构,由上、下横梁及竖、直腹杆组成,其中上下横梁采用箱形截面,腹杆均采用工字型截面。上、下平联均采用K形体系、箱型截面。

根据风洞试验结果,在桥面系以上和桥面系以下分别布置上、下纵向抗风稳定板。上抗风稳定钢板高860mm,与两道内侧防撞栏杆结合在一起,下抗风稳定板与主横桁架相连,由高1000mm带纵向加劲肋的钢板组成。因大桥位于0.9%的单向纵坡上,为适当增强结构纵向刚度,控制主桁架的纵向变位,同时降低跨中短吊索的疲劳应力幅,在每根主缆跨中设3根柔性中央扣。主梁标准断面见图2。3.2 缆索系统

主缆采用1/10的矢跨比,其跨径布置为(200+ 856+190)m。主缆共2根,从张家界岸锚碇至花垣岸索塔处,横桥向间距28.0m;由于花垣岸锚碇已进入道路平曲线区,为适应线路的变化,避免主缆锚固时与路线冲突,从花垣岸索塔至花垣岸锚碇处主缆中心距由28.0m变为38.0m,主缆在水平面上

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