1、鄂东长江公路大桥桥塔设计40 桥梁建设 2009 年第 5 期文章编号:10034722(2009)05 004004鄂东长江公路大桥桥塔设计彭晓彬,陈杏枝(湖北省交通规划设计院,湖北武汉 430051)摘要:鄂东长江公路大桥主桥为主跨 926m 的半漂浮体系双塔混合梁斜拉桥,桥塔采用“ 凤翎“ 式钢筋混凝土结构,由下塔柱 ,下横梁,中塔柱,中上塔柱连接部及上塔柱组成,采用 C5O 混凝土.采用 MIDAS2006 桥梁综合程序和桥梁博士 3.0 程序,按三维空间框架结构分裸塔阶段,最大单悬臂阶段和使用阶段对桥塔进行结构计算,并对下塔柱(含下横梁)和中上塔柱连接段进行局部仿真分析,结果表明桥塔
2、的应力,强度和刚度均满足规范要求.桥塔施工分为下塔柱,下横梁,中塔柱,上塔柱和塔顶结构等施工阶段,介绍桥塔施工要点.关键词:斜拉桥;桥塔;结构设计;结构计算;桥梁设计中图分类号:U443.38 文献标志码 iADesignofPylonsofEdongChangjiangRiverHighwayBridgePENGXiao-bin,CHENXingzhi(HubeiProvincialCommunicationPlanningandDesignInstitute,Wuhan430051,China)Abstract:ThemainbridgeofEdongChangjiangRiverHigh
3、wayBridgeisasemifloatingsystemhybridgirdercablestayedbridgewithdoublepylonsandwithamainspan926m.ThepylonsoftheBridgearedesignedasthe“phoenixSplumereinforcedconcretestructuresmadeupofthelowerlegs,lowercrossbeams,middlelegs,middleandupperlegconnectionsandupperlegswiththegradeoftheconcreteusedforthepyl
4、onsbeingC50.ThebridgecomprehensiveprogramMIDAS2006andtheprogramDoctorBridgeV3.0areusedtocalculatethepylonsinaccordancewiththethree-dimensionalframestructuresinthefreestandingstage,maximumsinglecantileverconstructionstageandoperationstageoftheBridgeandthelocalsimulationanalysisofthelowerlegs(1owercro
5、ssbeamsareincluded)andthemiddleandupperlegconnectionsismadeaswel1.Theresultsoftheanalysisshowthatthestress,strengthandrigidityofthepylonscanmeettherequirementsinthespecifications.Theconstructionofthepylonsiscarriedoutrespectivelyinthestagesofthelowerlegs,lowercrossbeams,middlelegs,upperlegsandpylont
6、opsandthekeypointsoftheconstruction0fthepylonsarepresented.Keywords:cable-stayedbridge;pylon;structuraldesign;structuralcalculation;bridgedesign1 工程概况鄂东长江公路大桥是沪蓉高速公路主干线湖北省东段(武黄高速公路和黄黄高速公路)和国家高速公路网规划中的大庆至广州高速公路湖北段的共用过江通道,位于黄石长江公路大桥上游,与黄石长江公路大桥的岸线距离约 1.3km.主桥为(367.5+72.5+926+72.5+367.5)m 的半漂浮体系双塔混合梁斜拉
7、桥,主桥桥面最大纵坡 2.o,双向 6收稿日期:20090504作者简介:彭晓彬(1976 一),男,工程师.1999 年毕业于西安公路交通大学交通土建专业,工学学士,2002 年毕业于长安大学(原西安公路交通大学)桥梁与隧道工程专业,工学硕士().鄂东长江公路大桥桥塔设计彭晓彬,陈杏枝 41车道,钢箱梁外形与混凝土箱梁一致,均为分离式双箱单室结构,主梁全宽 38m(含斜拉索锚固区),梁高 3.8m(梁中心线处). 钢一混凝土结合段位于主跨侧,距桥塔中心线 12.5m.边跨设置 3 个辅助墩和 1 个过渡墩,主桥长 1476m,见图 l.275,926j275287.5.901j2875(预应
8、力混凝土箱粱)(钢箱粱)(预应力混凝土箱粱)一 IIIl:净高 24Lo,oo 县童:i:ll_1图 1 鄂东长江公路大桥主桥总体布置2 桥塔方案构思鄂东长江公路大桥建成以后将成为鄂东地区及黄石未来城区的标志性建筑.大桥景观设计必须与周围景观融为一体,结合湖北省自然人文资源,融入楚文化丰富的历史文化底蕴,凸显黄石市作为现代化工业城市所应该具有的活力特征.桥塔在斜拉桥的景观中起着标志性的作用,又由于桥塔的外形极大地影响斜拉桥的布置和桥墩的基本尺寸及外形,因此,桥塔的外形设计在全桥的美学设计中尤为重要.鄂东长江公路大桥桥塔设计将湖北荆楚文化与现代桥梁工程相结合,以“凤翎“ 的元素符号为表现形式,表
9、现一种吉祥的气息及湖北人民腾飞的愿望.通过线条的处理和形体的秀化,使桥塔内敛含蓄,别具一格,新颖又不乏神韵.凤翎形桥塔紧紧地与湖北的地域,历史,文化相结合,景观方面独一无二,别具特色.3 结构设计桥塔采用“凤翎 “式钢筋混凝土结构 ,由 5 部分组成,从下至上依次为下塔柱,下横梁,中塔柱,中上塔柱连接部,上塔柱,采用 C50 混凝土.北塔高242.5m,南塔高 236.5m,南,北塔在桥面以上高度均为 204.82rD_,其中上塔柱高度均为 92.5ITI,中塔柱高度均为 126.0m,北塔下塔柱高度为 24.0m,南塔下塔柱高度为 18.0m.塔柱截面及外形尺寸基本相同,均采用单箱单室断面.
10、上塔柱尺寸由 8.51TI8.0na_(顺桥向横桥向 )变化到 9.943ITlX14.02In,顺桥向塔壁厚为 1.2ITI,横桥向塔壁厚为1.0m,中间设钢锚箱;中上塔柱连接部尺寸由9.9431TI14.02ITI 变化到 10.17nl17m,2 根塔柱在中塔柱顶处合二为一,中塔柱尺寸由 1O.17ITIX6.5ITl 变化到 12.294lnX7.454m,壁厚均为 1.2m;南塔下塔柱尺寸由 12.566m7.706m 变化到12.887mX8.5m,北塔下塔柱尺寸由 12.566rfl7.706rfi 变化到 13.0ITI8.5rfl,下塔柱壁厚均为1.8lrl.北桥塔一般构造见
11、图 2.上塔柱荷载通过中上塔柱连接段传到 2 个中塔柱,该处受力较复杂.在中上塔柱连接段上部设高0.6m,宽 4.4rfl 的混凝土垫块用于支撑钢锚箱底座及 13 号斜拉索锚块;在中上塔柱连接段顶部(混凝土垫块下方) 中设置预应力,预应力束顺桥向布置,采用精轧螺纹粗钢筋;在中上塔柱连接段下部(即中,上塔柱分又处) 设置预应力,预应力束横桥向布置.为使塔柱的力更均匀地传递给承台并考虑整立面侧面 ll喜量制掣图 2 北桥塔一般构造单位:cm42 桥梁建设 2009 年第 5 期体造型及景观要求,在下塔柱设置元宝形混凝土结构.元宝形混凝土块为箱形结构,凸出于下塔柱.为减少结构的次应力,元宝形混凝土块
12、在横桥向桥梁中心线处设 2cm 断缝,其问填塞橡胶止水带.元宝形混凝土块与下塔柱按整体受力考虑.斜拉索在塔内锚固采用钢锚箱结构形式,钢锚箱设置于上塔柱中,分 26 节,宽 2.4m,高 2.53.6m,长度根据塔柱顺桥向宽度变化.第 43O 对斜拉索锚固在钢锚箱上,第 13 对斜拉索横桥向相对2 根交叉锚固在混凝土底座上.钢锚箱总高 72.9m,节段之间采用高强螺栓连接.钢锚箱总体布置见图 3.为控制吊装重量,第 1 节钢锚箱顺桥向等分为 2 块,顺桥向块与块之间用高强螺栓和拼接板连接.为减少和控制桥塔外壁裂缝,确保桥塔锚固区的耐久性,上塔柱部分拉索锚固区混凝土塔壁内设置预应力 L1.壁型图
13、3 钢锚霜总体布置下横梁位于主梁下,下塔柱与中塔柱的转折处.下横梁为箱形断面,其内设 2 道横隔板,横梁高 8.0m,横梁上缘宽 11.796m,下缘宽 11.947m.为使塔柱与下横梁钢筋错开排列布置,横梁断面上,下缘宽度均比塔柱断面顺桥向宽度小 30cm.下横梁顶,底板厚 1.0m,腹板,横隔板厚 1.5m.下横梁采用预应力混凝土结构,共布置 92 束 2215.24 钢绞线,每束张拉力为 4297kN.预应力钢束锚固于塔柱的外侧,采用深埋锚工艺,塑料波纹管,真空压浆.桥塔基础为钻孑 L 灌注桩群桩基础.南岸桥塔基础位于岸滩干处,采用 28 根直径 2.5m 的钻孔灌注桩,桩长 76m;矩
14、形承台平面尺寸为 42.0mX23.25m,高度为 8.0m.北岸桥塔基础位于水中,采用 33 根覆盖层直径为 2.8m,基岩内直径为 2.5m 的钻孔灌注桩,桩长 71m;矩形承台平面尺寸为42.0mX29.5m,高度为 8.0m.钻孔灌注桩采用C35 水下混凝土,承台采用 C40 混凝土.在桥塔下横梁,辅助墩,过渡墩处设竖向支座,在桥塔横桥向处设横向抗风支座,在过渡墩横向挡块处设横向限位支座.在桥塔下横梁顶与梁底设置挡块,用于施工时临时纵向约束和成桥阶段的限位作用.为改善结构动力性能,减少地震力,风力,车辆制动力对桥梁结构尤其是伸缩缝装置的破坏,在混凝土箱梁与桥塔横梁处顺桥向安装阻尼装置.
15、4 结构计算采用三维空间梁单元建模计算桥塔,分别采用MIDAS2006 桥梁综合程序和桥梁博士 3.0 程序进行分析.根据桥塔的实际施工阶段,成桥阶段及运营阶段,按各种荷载工况的最不利作用组合,对桥塔在顺桥向及横桥向的受力进行计算分析;同时对塔柱角点方向按顺桥向与可能同时出现的荷载组合,进行角点最大,最小应力验算.施工阶段按短暂状况下的承载能力极限状态计算,成桥及运营阶段分别按持久状况及偶然状况下的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行计算.4.1 主要计算荷载桥塔为三维空间框架结构,计算荷载分为顺桥向和横桥向 2 部分,主要荷载有:(1)恒载:桥塔自重 ,桥塔横梁预应力 ,混凝土收缩徐变影响
16、力,恒载作用下斜拉索索力及支反力.(2)活载:活载作用下斜拉索索力及支反力.(3)温度荷载: 根据黄石气象站资料统计 ,基准温度取 17.1.C,钢结构最高温度取 41,最低温度取一 11;混凝土结构最高温度取 34.2,最低温度取一 0.8,局部温差参考规范取值.(4)风荷载:风力起算点以常年平均低水位处开始,桥位处设计基本风速为 30.1m/s;计算中除考虑塔身风力外,还计入了梁,索传至塔上的静风荷载.(5)地震:地震动峰值加速度系数取 100 年超越概率水平 3,波峰值为 0.1259g.(6)船舶撞击力:北塔顺水流方向为 19.5MN,垂直水流方向为 9.75MN.(7)施工荷载: 对
17、塔身按 4m 一段作为 1 个施鄂东长江公路大桥桥塔设计彭晓彬,陈杏枝 43工节段,计入模板重量;由于下,中塔柱倾斜,在施工时分别设有临时拉,撑杆,以平衡施工时的水平分力,拉,撑杆的设置以保证施工时塔柱内不出现拉应力为前提.4.2 作用效应组合桥塔结构计算主要分 3 个阶段:裸塔阶段,最大单悬臂施工阶段和使用阶段.在各阶段均进行顺桥向,横桥向及纵横耦合计算;其中,裸塔阶段根据桥塔结构的形成过程,分为下塔柱,下横梁,中塔柱,上塔柱等主要施工阶段进行计算.在计算荷载选择时,除了满足相关规范外,还对可能出现的不利受力情况进行分析,主要按以下 1o 种不利荷载组合分别计算,荷载组合见表 1.计算结果表
18、明,桥塔的应力,强度和刚度均满足相关规范要求.表 1 桥塔计算荷载组合受力阶段编号荷载组合4.3 局部仿真分析桥塔下塔柱(含下横梁) 和中上塔柱连接段构造复杂,预应力钢束布置较多.为了解桥塔下塔柱(含下横梁)和中上塔柱连接段的受力状况,并根据受力状况对相关细部构造进行适当优化,对桥塔下塔柱(含下横梁) 和中上塔柱连接段进行局部仿真分析.桥塔下塔柱(fi-下横梁)节段模型见图 4.根据计算结果,去除应力集中影响,下塔柱节段最不利组合下,混凝土主压应力小于 21.2MPa,主拉应力小于 2.77MPa,满足规范要求.图 4 桥塔下塔柱(含下横梁)节段模型中上塔柱连接段节段模型见图 5.根据计算结果
19、,中上塔柱连接段主拉应力在 2.4MPa 以下,主压应力在 17.0MPa 以下(不考虑钢锚箱底座局部应力的影响),满足规范要求.图 5 中上塔柱连接段节段模型5 主要施工特点(1)桥塔施工分为下塔柱,下横梁,中塔柱,上塔柱和塔顶结构等施工阶段.下塔柱采用外部安装平衡膺架,内部预埋劲性骨架方法进行施工;中,上塔柱采用爬升模板法逐段连续施工.(2)由于下塔柱斜率较大,为控制塔柱变形,减少根部的初应力和增加塔柱的稳定性,施工时设置拉杆,并在下塔柱施工立模时,设置一定的预偏量,待下横梁施工完毕且张拉完横梁预应力后,释放拉杆拉力.塔肢中间的元宝形混凝土块待下塔柱施工完成后,再与之浇筑成整体.(3)中塔
20、柱采用斜爬模施工,由于塔柱斜率较大,设置 6 道主动横撑.每道横撑施加水平力时,均需对塔柱横向位移,塔柱及下横梁根部应力进行控制.水平横撑必须具有足够的强度和刚度,并与塔柱固结,待中塔柱施工完成后方可拆除.考虑塔柱施工时的变形,塔柱立模时设置相应的预偏量,预偏量数值根据具体的施工方案计算确定,从而保证塔柱受力和变形符合要求.水平横撑设计时,应特别注意施工期横桥向风荷载的影响,确保支撑和塔柱的安全.(4)塔柱施工时应随时观测塔柱变形,并进行相应调整,以保证塔柱几何形状符合设计要求;在塔柱施工至第 1 节钢锚箱底部时,须对该处标高进行适当的抬高,实际的抬高量应根据中,下塔柱施工过程中的实际压缩变形
21、和基础沉降情况综合考虑,施工时应动态监控该数值,以确保斜拉索在塔上锚固位置的准确.(下转第 48 页)48 桥梁建设 2009 年第 5 期(1)缠丝应作为永久构件进行严格设计,确定缠丝的设计标准,将缠丝纳入永久构件范畴.(2)缠丝机性能与参数必须满足要求,不能因为缠丝机的缠丝力达不到要求而擅自降低缠丝导人力.(3)采用先缠丝后铺装工序,将大大增加缠丝导入力,如果缠丝机确实无法提供所需缠丝导入力,就不能采用先缠丝后铺装工序,不能牺牲质量来加快进度.(4)可用选材的方法来降低缠丝力,如减小缠丝直径,选择弹性模量较小的缠丝,但缠丝的弹性模量和强度都应经过严格的检测.参考文献:Eli 蒋俊峰,马迎山
22、.乔治? 华盛顿桥主缆索股的检查J.国外桥梁,2001,(1):53 56.(JIANGJunfeng,MAYingshan.InspectionofCableStrandforGeorgeWashingtonBridgeJ.ForeignBridges,2001,(1):5356.inChinese)E2潘世建,杨盛福 .科研? 试验 ?专用技术标准(海沧大桥建设技术丛书第二册)M.北京:人民交通出版社,2001.3万国朝.白鸟大桥主缆防护工程 I-J.国外公路,1999,(4):1419.(WANGuochao.TheCableProtectionofShiratoriBridgeJ.JournalofForeignHighway,1999,(4):1419.inChinese)4马文田,石国彬 .悬索桥主缆缠绕钢丝的设计J.华南理工大学(自然科学版),1999,(11):8891.(MAWen-tian,SHIGuobin.DesignofTheWrappingWireofTheMainCablesinSuspensionBridges
