懸索橋設(shè)計實踐及其探討
摘要： 通過結(jié)合實例，基于結(jié)構(gòu)安全性、適用性、經(jīng)濟性等原則，充分考慮到懸索橋的柔性優(yōu)勢，提出其詳細設(shè)計思路，為同類工程提供參考借鑒。
關(guān)鍵詞： 懸索橋,錨碇設(shè)計,索塔設(shè)計,錨體設(shè)計
1引言
某高速公路主線全線采用雙向四車道設(shè)計標(biāo)準，車速設(shè)計為80km/h，路基寬度設(shè)計為24.5m，該高速公路上設(shè)計有塔梁分離式懸索橋方案，懸索橋的主跨設(shè)計長度為1085m。本橋梁錨碇座落在半山腰的一小臺階，地形較平坦，錨碇后方為陡坡，坡度約45度，坡高約150m。
2懸索橋梁設(shè)計
本橋梁主纜的孔跨布置設(shè)計為242m+1176m+116m，主梁全長為1000.5m;主橋橫橋向設(shè)2%橫坡，橋面系寬24.5m，鋼桁加勁梁全寬27m。采用兩根主索，主索垂跨比F/L=1/9.6，主索中心距為27m，采用平面索布置;全橋采用71對吊索，吊索標(biāo)準間距為14.5m，端吊索的間距29m;主跨梁高(主桁中心線處)7.5m;主梁橋臺處設(shè)豎向支座和橫向抗風(fēng)支座。鑒于橋梁所處地區(qū)的地質(zhì)情況，設(shè)計時有效地避開吉首岸山體裂隙和危巖體對索塔的影響，同時也避開索塔與公路隧道的相互影響。
主橋中央分隔帶寬度為2m，鑒于連接隧道的中央分隔帶寬度為4.4m，因此，在與隧道銜接的范圍內(nèi)，中央分隔帶漸變過渡，主橋的硬路肩寬度相應(yīng)壓縮。因地形和線路走向的原因，懸索橋位于0.80%的單向縱坡上。主橋總體設(shè)計中考慮主纜的理論頂點受縱坡影響，使得索塔高度和邊跨主纜的布置更合理，全橋主纜受力更均勻。
2.1 錨碇設(shè)計
錨碇作為懸索橋設(shè)計的關(guān)鍵部位，其設(shè)計是重點之一。整個橋梁的錨碇由錨體和錨固系統(tǒng)所組成。
錨體設(shè)計。本橋梁采取重力錨，錨體分錨塊、散索鞍支墩及基礎(chǔ)、前錨室、后錨室四部分。其中錨塊主要受預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)傳遞的主纜索股拉力，散索鞍支墩主要承受由散索鞍傳遞的主纜壓力，前錨室、散索鞍支墩及錨塊形成一個完整的三桿件人字狀構(gòu)造的空間受力構(gòu)件。同實體(重力式)結(jié)構(gòu)相比，采用這種桿件系統(tǒng)能大量降低材料用量，充分發(fā)揮材料強度從而降低造價。
同時考慮到重力錨由于錨碇體積比較大，為避免錨塊和散索鞍支墩基礎(chǔ)澆筑施工后出現(xiàn)收縮與溫度裂縫，錨塊和散索鞍支墩基礎(chǔ)共分四塊進行澆筑，各塊之間設(shè)置2m后澆段，后澆段采用微膨脹混凝土;另外為了抑制混凝土的收縮與龜裂、提高抗?jié)B能力錨塞體混凝土摻入聚丙烯纖維網(wǎng)。
兩岸錨碇的錨體都屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其溫控設(shè)計及溫控施工方案由施工單位自行設(shè)計，并由設(shè)計、監(jiān)理確認后實施。此溫控設(shè)計和材料用量費用在預(yù)算中單獨列出。同時為了有效地降低大體積混凝土水化熱，錨塊、錨塞體、散索鞍支墩及基礎(chǔ)等部位混凝土采用低水化熱水泥，并充分考慮摻入粉煤灰后混凝土的后期活性，采用60天齡期的抗壓強度作為設(shè)計強度。錨碇各永久外露部分表面鋼筋保護層內(nèi)均設(shè)一層直徑為φ5mm，間距為10×10cm的帶肋鋼筋焊網(wǎng);茶洞岸錨碇各永久外露部分表面鋼筋保護層內(nèi)均設(shè)一層直徑為φ8mm，間距為20×20cm的帶肋鋼筋焊網(wǎng)，以增強混凝土表面抗裂性能。
2.2 錨固系統(tǒng)設(shè)計
本橋梁設(shè)計為了有效地減少用鋼量，同時合理設(shè)計錨塊和錨塞體形狀，并節(jié)約混凝土用量，本橋采用預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)。預(yù)應(yīng)力鋼束起初沿索股發(fā)散方向布置，再按一定半徑收斂最后與大纜合力線平行錨固于后錨面，前后錨面均為大纜合力線垂直的平面。吉首岸重力錨散索長度為29米，錨固長度為25米;茶洞岸隧道錨散索長度為29米，錨固長度為43米。錨固系統(tǒng)設(shè)計要點如下：
(1)錨固系統(tǒng)由索股錨固連接器和預(yù)應(yīng)力鋼束錨固系統(tǒng)構(gòu)造組成。索股錨固連接器構(gòu)造由拉桿及其組件、連接器組成;預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造由管道、預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨具、防腐油脂、錨頭防護帽等組成。拉桿上端與主纜索股錨頭相連接，另一端與前錨面的連接器相連接。索股錨固連接器由2根拉桿和連接器構(gòu)成，本橋梁重力錨每根主纜有103套索股錨固單元，茶洞岸隧道錨每根主纜有103套索股錨固單元，總計錨固單元412套。
(2)單索股錨固單元采用15-16規(guī)格預(yù)應(yīng)力鋼束錨固，雙索股錨固單元采用15-31預(yù)應(yīng)力鋼束錨固，分別采用特制的15-16和15-31型錨具，其關(guān)鍵是應(yīng)滿足設(shè)計所需的錨下應(yīng)力不超過C30混凝土的受力要求。
(3)鋼絞線采用環(huán)氧樹脂全噴涂及預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)灌注防腐油脂的雙重防腐體系，在前錨面設(shè)置有油脂面觀測管，橋梁運營期間根據(jù)油面觀測結(jié)果實施補充灌注，錨頭張拉端不封錨并留有換束所需工作長度。在特征位置錨固連接部分應(yīng)設(shè)置壓力傳感器，施工及運營期間可隨時監(jiān)測索股受力情況。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制應(yīng)力為0.65Ryb。公稱直徑為15.24 mm，標(biāo)準強度fpk=1860MPa, 技術(shù)標(biāo)準應(yīng)符合ASTM A416-2003的規(guī)定。在錨下混凝土達到100%強度時，方可對稱張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。為方便施工，張拉均采取后錨面單端張拉。15-16型的張拉控制力為2711.3kN，15-31型的張拉控制力為5253kN。均按雙控原則張拉，延伸量允許誤差應(yīng)控制在5%以內(nèi)，且不允許斷絲。張拉完畢后，從后錨面向前錨面方向壓注防腐油脂。施工單位應(yīng)根據(jù)錨固系統(tǒng)定位要求自行設(shè)計定位支架，并由設(shè)計、監(jiān)理確認后實施。本橋錨固系統(tǒng)所用定位支架數(shù)量在參考國內(nèi)同類橋梁的基礎(chǔ)上并根據(jù)本橋索股的具體數(shù)量、長度、錨體體積綜合得出，實際用鋼量可按發(fā)生計量。
2.3 索塔設(shè)計
(1)本橋梁的索塔采用雙柱式門式框架結(jié)構(gòu)，由擴大基礎(chǔ)、塔座、塔柱(上塔柱-0.8m壁厚、中塔柱-1.0m壁厚、下塔柱-1.2m壁厚)和橫梁(上橫梁、中橫梁)組成。索塔自擴大基礎(chǔ)頂以上高129.316m(包括防護罩高度4.3m)，塔柱橫橋向由上向下向外傾斜，傾斜斜率為內(nèi)1000：58.816(塔頂中心距27m，塔底中心距41m)，塔柱設(shè)上、中兩道橫梁，塔柱底設(shè)塔座并坐落在分離式擴大基礎(chǔ)上。其中分離式擴大基礎(chǔ)高5m，單側(cè)基礎(chǔ)縱向×橫向分別為21mx18m，基礎(chǔ)嵌固在基坑內(nèi)。擴大基礎(chǔ)為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);塔座、塔柱為C55鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);上、下橫梁為C55預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。
(2)塔座高6m，塔柱外輪廓縱橫向?qū)挾染?：1的斜率漸變，塔座縱向從上至下由9.0m(標(biāo)高577.200m)變?yōu)?3.0m(標(biāo)高571.200m)，塔座橫向從上下由6.0m(標(biāo)高577.200m)變?yōu)?0.0m(標(biāo)高571.200m);塔內(nèi)璧輪廓縱橫向?qū)挾染?：1的斜率漸變;在塔座底設(shè)3.0m厚的實體段。塔柱橫向等寬6m;順橋向頂部由于索鞍需要寬度為9m(高9m)，豎向設(shè)4.5m高的過渡段，寬度從上向下由9m(標(biāo)高687.216m)變?yōu)?.113m(標(biāo)高682.716m)，橋塔其余部分順橋向?qū)挾劝?000：4.201的斜率漸變，由8.113m(標(biāo)高682.716m)向下漸變?yōu)?.0m(標(biāo)高577.200m)。塔柱為空心矩形箱結(jié)構(gòu)(空心矩形外邊采用半徑R50倒角過渡)，上塔柱壁厚0.8m，塔頂設(shè)置4m的實體段;中塔柱壁厚1.0m;下塔柱壁厚1.2m。為了滿足塔柱受力和橫梁預(yù)應(yīng)力錨固，對塔柱局部壁厚進行加厚。在塔柱內(nèi)橫梁頂、底板對應(yīng)的位置設(shè)置橫隔板，在中塔柱與下塔柱變壁厚處設(shè)有一處隔板。
(3)上橫梁高5.5m～8.0m，底緣為半徑25.5793m的圓曲線，寬度為8.0m，壁厚0.8m;中橫梁高5.5m～8.0m，底緣為半徑38.823m的圓曲線，寬度為7.391m～7.458m，壁厚0.8m。上、中橫梁均設(shè)有兩道0.6m厚的橫隔板。橫梁預(yù)應(yīng)力錨固采用深埋工藝，錨固在塔柱外側(cè)，預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管、真空壓漿工藝。
(4)塔柱內(nèi)設(shè)人行檢修樓梯供維修人員使用，維修人員可以從地面爬塔外檢修樓梯上到塔柱進人洞進入塔柱，沿塔內(nèi)檢修樓梯上行，直到中橫梁或上橫梁，通過過人洞進入中橫梁、上橫梁，由上橫梁內(nèi)的樓梯到達上橫梁頂。塔柱進人洞設(shè)鋼框架，與被截斷的塔柱主筋、箍筋焊接，保持被截斷主筋的傳力連續(xù)。在塔柱、橫梁上分別設(shè)置通風(fēng)孔。
2.4 吊索設(shè)計
本橋為單跨鋼桁架懸索橋，中間跨設(shè)置吊索，端部吊索J00、C00離塔中心距離分別為66m、51.5m，J00~J01、C00~C01、C01~C02吊索間距為29.0m，其余吊索中心距均為14.5m。根據(jù)吊索受力特點，并綜合考慮材料性能、制造加工、安裝維護、后期更換等因素，本橋設(shè)計采用鋼絲繩吊索，靠近主塔的三個吊點(J00、C00、C01)， J00、C01每側(cè)吊點設(shè)3根吊索，C00每側(cè)吊點設(shè)兩根吊索，通過預(yù)應(yīng)力巖錨將其錨固于巖石上。其余每側(cè)吊點設(shè)2根吊索，與鋼桁架采用銷鉸式連接。J00、C01吊索設(shè)置一根CPS15B-19和四根CPS15B-9預(yù)應(yīng)力錨桿，其對應(yīng)的錨索設(shè)計張力分別為2960KN和1400KN,C00吊索設(shè)置一根CPS15B-15和四根CPS15B-5預(yù)應(yīng)力錨桿,其對應(yīng)的錨索設(shè)計張力分別為2496KN和780kN。
3鋼桁加勁梁
鋼桁加勁梁包括鋼桁架和橋面系，由主桁架、主橫桁架、上下平聯(lián)及抗風(fēng)穩(wěn)定板組成。主桁架為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成。上弦桿、下弦桿采用箱形截面，除支座處腹桿采用箱型斷面外其余均采用工字型截面。主桁桁高7.5m，桁寬27m，節(jié)間長度7.25m。一個標(biāo)準節(jié)段長度14.5m，由2個節(jié)間組成，在每節(jié)間處設(shè)置一道主橫桁架。主橫桁架采用單層桁架結(jié)構(gòu)，由上、下橫梁及豎、直腹桿組成，其中上下橫梁采用箱形截面，腹桿均采用工字型截面。上、下平聯(lián)均采用K形體系、箱型截面。根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果，在橋面系以上和橋面系以下分別布置上、下縱向抗風(fēng)穩(wěn)定板。上抗風(fēng)穩(wěn)定鋼板高860mm，與兩道內(nèi)側(cè)防撞欄結(jié)合一起(詳見另冊文件)，下抗風(fēng)穩(wěn)定板與主橫桁架相連，由高1000mm、帶縱向加勁肋鋼板組成。
4橋面系設(shè)計
橋面系采用縱向工字梁與混凝土橋面板的鋼-混組合結(jié)構(gòu)形式。縱梁橫向間距1.92m，梁高0.63m～0.86m，簡支在主桁橫梁上弦桿上，理論跨徑7.25m，縱梁僅在兩端設(shè)置橫隔梁。橋面板采用預(yù)制混凝土板，預(yù)制板長7.21m、寬1.62m、厚0.16m�？v向接縫寬0.3m，橋面板通過接縫處縱梁上的剪力釘與縱梁相結(jié)合。各跨橋面板間采用橋面連續(xù)構(gòu)造，每101.50m橋面板設(shè)一道通縫斷開，通縫設(shè)無縫伸縮縫以保證橋面美觀和行車順暢�？v向接縫采用微膨脹混凝土以改善由于砼收縮對鋼-砼組合結(jié)構(gòu)的影響，橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)采用鋼纖維混凝土以提高抗裂、抗疲勞性能。橋面預(yù)制板的每根縱梁下面與鋼桁架的主橫桁架上橫梁的上翼緣板之間設(shè)置LZTZ500型盆式橡膠支座，全橋橋面系共設(shè)支座3808個。
5結(jié)論
文章結(jié)合懸索橋工程設(shè)計實例，設(shè)計時充分考慮安全及其經(jīng)濟原則，發(fā)揮懸索橋柔軟的優(yōu)勢，對鋼桁梁懸索橋設(shè)計的關(guān)鍵問題展開探討，結(jié)合實踐提出本工程橋梁的設(shè)計思路，旨在能為同類工程提供參考。
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