汕头海湾大桥主孔悬索桥设计构思及新技术因素-杨进

汕头海湾大桥主孔悬索桥

设计构思及新技术因素

杨进

摘要:本文介绍我国正在建设中的第一座现代悬索桥的结构设计概况。桥梁位于强风、强震地域。文章发表时间为1994年底关键词：设计条件、总体布置、预应力混凝土箱形加劲主梁、主塔，主缆锚碇、抗震

1 前言

汕头海湾大桥的主桥采用悬索桥的桥式是我国广大的工程技术人员为全方位发展我国的建桥技术的一次有力的举措。前此,有关斜拉桥技术,已在国内发展到逐臻完善和成熟。而对于现代悬索桥技术,国外已领先我们数十年,汕头海湾大桥的兴建,决定采用悬索桥方案,作为该项领域内追赶世界先进水准的起步,显示了决定者的卓见和果断。现代悬索桥在国外千米左右的大跨度已不胜枚举,不仅只是跨度大,而是表现出在技术上和工业能力上的高水平。以汕头海湾大桥的自然环境和地形条件,既不能以跨度大又无法在常规技术中去争得在悬索桥中的世界席位。为此,我们决心从加劲梁的用材和截面选型方面下手,推出全流线截面外形,双向预应力混凝土薄壁箱结构,给悬索桥以一个独特的技术形像。与之相适应,在多项结构细节的处理方面,也以不泥于常规的做法,揉入一些技术新因素。

悬索桥采用重的梁体结构,容易给人一个直观的感觉,即是主缆多耗了材料。但是对于深知工程条件之艰难的工程师,则不能不从把握全局而权衡得失。汕头海湾桥正在长年不息的大风口上,我们缺乏在此种环境下采用大跨度柔性长桥的实践经验,加大主缆的重力刚度和增强梁体的自稳性,是在设计之初所可能采取的一项预为之计的考虑。

2 工程条件

汕头海湾大桥位于汕头湾海港的东面门户位置。主孔悬索桥从主航道跨过,其左侧是妈屿岛主峰,右侧为广澳山矶头,航道部门要求主孔跨径不得小于400m,净空高度在平均高潮位

以上46m。

本桥按汽车专用路一级与城市主干道一级相结合的双功能桥梁设计。

桥上设计车速:60km/h;

设计荷载标准:汽车--超20级六车道设计,挂车--120验算;

设计基本风速:V10=47m/s,即离地(或水面)10m高、频率1/100、10分钟平均最大风速。设计针对长大跨度桥梁的特殊性,计算风压值时考虑了结构物的长度、高度、结构阻风面的形状以及所处的地形、地理条件等因素,并进行了修正,而且还在数年前于桥面高程处设立了风观测站。

抗震设防设计按“小震不坏,中震可修,大震不倒”的原则进行,由地震专业部门所做的桥址小区地震危险性分析得出:在100年使用期内超越频率为10/100的情况下,基岩面最大设计计算加速度值为0.2229g,以此作为罕遇的大地震进行控制。

悬索、主梁的设计线型及几何尺寸按标准气温为+20℃时的条件确定。根据区域的海洋性气候的温度变化幅度,桥梁结构体系温度按±15℃计算,主缆、吊索与主梁、主塔的结构温差以±10℃计。

3 总体设计

本桥的结构体系为三跨双铰预应力钢筋混凝土箱形加劲梁的悬索桥,共总体布置见图1。悬索桥的主孔跨度为452m,两边孔跨度均为154m。主孔主缆的矢跨比为1/10,边孔主缆的垂跨比为1/29.6。主缆无应力束长1029.6m左右,全桥对称布置。边孔主缆以切线方向穿过设

主桥总长760m,主梁立面轴线处在两端为3.5%的纵坡和中部衔接8000m半径的凸形竖曲线上。主塔为三层门式框架结构,塔高95.1m,设有上、中、下三道横梁。塔柱纵、横方向的长细比按满足经验公式的匹配要求确定,以保证主塔框架的空间稳定性。塔柱、横梁均采用中空截面。

桥面净宽24.20m,中间带1.30m,两侧各布置三条机动车道。

本桥为半漂浮结构体系。混凝土箱形加劲梁在主塔以及边墩处均由竖向的拉压支座予以支承,纵桥向由设置在塔柱内侧的阻尼设施提供正常使用状态下的纵向水平弹性约束。当受地震惯力作用时,梁体产生较大的纵向漂移,梁端撞在设置在边孔梁端处的橡胶缓冲垫块上,可将剩余能量产生的惯力传递至两岸桥台。当加劲梁受横向水平力作用而产生水平方向挠曲时,

上述的支承体系可任其转动而不具约束效应,其反力则由设置在主塔处的特殊结构段以及边墩上的横向挡块予以传递。

由于采用了预应力混凝土箱形加劲梁,使悬索桥从整体上获得了较大的重力刚度,从而提高了整桥的抗风动力性能。主孔加劲梁最大竖向挠度 1.17m,挠跨比1/386;最大横向挠度0.48m,挠跨比1/942。与国外已建成而具代表性的悬索桥相比(见表1),在桥高风劲的环境下,采用混凝土加劲主梁使桥梁具有更为良好的稳定性能。

其细节安排为:

桥面部分采用竖向刚度甚小的钢筋混凝土桥面板过渡,能适应两端加劲梁的转动变形,实现边跨与主跨间桥面的匀顺过渡。在桥面板下部设有以钢结构构成的平面桁架,以连接两侧的

头与安置在加劲梁吊耳上的连接器相连接。连接器是由大直径螺杆与承托板组成,螺杆的下端用球面垫块承托吊耳,在梁上承载而发生变位时,可保螺杆仍然是轴向受拉状态。在承托板上方用螺帽将螺杆固定。螺杆上伸出的螺纹长度,容许对吊杆的长度作适度的调整。出于对混凝土梁在制造精度上的偏差和横向施加预应力后的变形幅度难于预计,因而在吊杆设计中给以容许作长度调整的预留措施。见图9。

每一吊杆实际上是由四根下垂的φ45毫米的钢丝绳构成,纵横向的中心距离均为380毫米,用定位夹加以固定。吊杆对称于预制节段的中心位置,横向中距25.20米。每个梁有4个临时吊点,在横向与主吊点十分贴近,使梁段在吊装运输过程中,不改变梁结构的基本受力状态。在纵向以2米的间隔对称于主吊点进行布置,以保证梁节段的平稳起吊。

8 主鞍座及散索鞍座

仍然设立了水平起顶托架,备有足够水平推动力的千斤顶。托架用预应力钢绞线张紧固定,以平衡水平反力。这也是一项最为简化的设计,与看到的现有的某些工程有关该项设计相比,无论在制造上和经济上都比本桥的设计要复杂和昂贵得多。

本桥的散索鞍座在上下座体之间安放了可活动的盆式橡胶支座,代替了传统上所采用的辊轴式摇臂,亦使构造大为简化和费用降低。本桥的主缆在散索鞍处的竖向折角较小,分角线的法向合力不算太大,因而为采用现有可用规格的盆工橡胶支座提供了条件。盆式橡胶支座中