大跨徑空間索面懸索橋纜索體系設(shè)計

大跨徑空間索面懸索橋纜索體系設(shè)計

主腳手架、懸索橋懸索橋的主輥、懸索和加速梁構(gòu)成了三維電纜體系。與大型平面電纜懸索橋相比，當懸索橋的張力約束力沒有增加時，就有必要在空間范圍內(nèi)連接電纜梁，并對振動進行更均勻的限制。電纜和電纜對增強的梁的限制最為嚴格，結(jié)構(gòu)上的橫向剛性和橫向剛度顯著增加。1麻黃大橋上跨主纜配置寶塔坪大橋位于重慶市奉節(jié)縣，橫跨長江一級支流梅溪河，且梅溪河入長江口900m處，工程區(qū)域自然景觀豐富，旅游景點眾多，歷史人文底蘊深厚，大橋承載的自然、人文等內(nèi)涵對橋型方案景觀提出更高要求，大橋建成后將成為當?shù)貥酥拘越ㄖ?，為城市增加一道亮麗的風景線。寶塔坪大橋是一座雙塔單跨地錨式空間索面懸索橋，主纜的跨徑布置為240m+800m+230m。兩主纜散索點橫向中心距分別為32m、23.5m，邊跨主纜在橫向自然形成斜線；在橋塔處的兩主纜橫向間距為10m，中跨梁體吊點橫向距離為23.5m，主纜在跨中橫向自然撐開形成橄欖型，兩主纜橫橋向間距由塔頂主索鞍出口處的10m逐漸過渡到跨中的22m。主纜位于豎向平面內(nèi)，在自重和主跨加勁梁重量的作用下，中跨主纜自然形成分段懸鏈線。全橋共計65對吊索，吊索橫向呈提籃型（見圖1）。2橋梁方案的選擇2.1主墩布置條件梅溪河水位變化受長江三峽水庫調(diào)度控制，水位消落高差達30m。橋梁橋墩應(yīng)盡量布置在淺水區(qū)或者岸上，以降低施工難度和減小施工風險。在高水位時，水面處寬度約850m。右岸河岸邊坡相對較緩，有約300m長度的灘地，灘地高程約175m。右岸主墩布置需考慮深水基礎(chǔ)施工風險，降低基礎(chǔ)工程的造價、減小跨徑。右岸主墩采用簡單的土石方筑搗，選擇置于水邊的緩坡處，主墩中心河床面高171.3m，三峽大壩蓄水位173.79m，承臺范圍內(nèi)最大水深2.5～3.0m，承臺基礎(chǔ)開挖前簡單筑島圍堰即可施工。橋墩位置選擇示意圖見圖2。左岸主墩位于梅溪河航道圓弧段外側(cè)，船撞概率很高，故左岸主墩應(yīng)盡可能靠近岸側(cè)布置。左岸岸坡達80°，非常陡峭，存在巖體卸荷影響。該處樁長需穿過巖體卸荷帶，樁長達130m以上，施工難度大、費用高，不適宜布置主墩；左岸線路通過主塔后立即轉(zhuǎn)彎，行車視距差，運營期安全風險高。因此，左岸橋塔選擇在陡峭山坡的坡底位置，確定橋梁主跨為800m。2.2近梅河口上既有橋梁分析主跨徑800m的合理橋型有懸索橋和斜拉索橋，如果選擇斜拉橋，左岸橋墩布置在陡峭岸坡處，山體陡峭無法布置斜拉橋邊跨，且無空間布置斜拉索，因此斜拉橋不適合本橋位處的地形、地勢，只有選擇懸索橋。橋位（圖中下橋位為橋梁實施橋位）附近梅溪河上既有橋梁如圖3所示：寶塔坪大橋上游分別是鄭萬高鐵橋、梅溪河復建橋和G42公路橋。在建的鄭萬高鐵橋位于寶塔坪大橋上游1.2km處，為主跨340m的上承式鋼筋混凝土提籃拱橋。梅溪河復建橋緊靠鄭萬高鐵橋，位于鄭萬高鐵橋上游300m，為主跨288m的上承式鋼管混凝土拱橋。G42高速公路橋位于梅溪河復建橋上游，為主跨386m的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。鑒于本橋位附近既有橋型均為拱橋和斜拉橋，為避免與附近橋型類同，契合“一橋一景”的設(shè)計原則，選擇懸索橋為本橋設(shè)計橋型，既豐富奉節(jié)縣的橋型景觀，又為當?shù)卦鎏順酥拘越ㄖ?。由于本橋橋面雙向4車道，梁體的寬跨比較小，結(jié)構(gòu)的整體橫向剛度偏小，為改善全橋的動力性能，橋型設(shè)計為空間索面懸索橋。寶塔坪大橋方案立面布置圖見圖4。3橋塔造型與設(shè)計傳統(tǒng)平面索懸索橋塔頂橫向距離和主梁吊點橫向距離相同，為固定值；塔型相對單一，地錨式懸索橋橋塔基本為H形。空間索面懸索橋塔頂橫向間距可隨意調(diào)整，為橋塔的選型提供更多選擇?！百缥幕笔侨龒{文化的豐碑，寶塔坪大橋橋塔的創(chuàng)作元素源自奉節(jié)夔文化之“夔”，橋塔提取夔紋的圖騰元素進行創(chuàng)作，造型大氣磅礴，能表述地域文化。橋塔造型創(chuàng)作元素“夔”見圖5。橋塔景觀演變以及橋塔正視圖見圖6、圖7。橋塔兩弧形曲線塔柱宛如巨龍的身體，塔冠猶如龍頭，塔柱間上橫梁猶如龍珠形狀，整個橋塔寓意“雙龍戲珠”，象征奉節(jié)縣經(jīng)濟發(fā)展突飛猛進，人民生活水平節(jié)節(jié)高。橋塔塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，復雜的空間曲面塔冠采用鋼結(jié)構(gòu)。將造型極為復雜的橋塔塔冠結(jié)構(gòu)和鞍座結(jié)構(gòu)，利用BIM技術(shù)使模型可視化、信息化，減少各構(gòu)件不協(xié)調(diào)、位置易沖突等難題，真正實現(xiàn)BIM技術(shù)的正向應(yīng)用。橋塔塔冠BIM模型見圖8。和傳統(tǒng)平面索懸索橋相比，橋塔塔頂處除受到主纜傳給橋塔的巨大豎向力外，還有主纜的水平分力，并由主塔上橫梁承擔。因此，主塔塔頂橫梁比平面索懸索橋配置更強。4鋼梁、鋼梁節(jié)段經(jīng)過對寶塔坪大橋的計算，吊索傳給加勁梁的水平分力很小，每根吊點處水平分力僅為100kN，對加勁梁橫隔梁的影響很小。因此，加勁梁的設(shè)計與傳統(tǒng)平面索懸索橋設(shè)計基本相同。寶塔坪大橋加勁梁為鋼混組合梁，加勁梁由主縱梁、次縱梁、橫梁和風嘴組成。加勁梁由鋼梁通過剪力釘與混凝土橋面板結(jié)合而成。鋼梁節(jié)段按加勁梁水平投影長度劃分，共分為3種類型，其中，B型梁段為標準節(jié)段，A型梁段為跨中節(jié)段，C型梁段為梁端節(jié)段。C型梁段根據(jù)伸縮縫和結(jié)構(gòu)需要，在端部2.8m范圍內(nèi)采用整體箱梁布置。加勁梁全寬27.99m，中心線處梁高3.00m。A梁段長9.0m,B梁段長12.0m,C梁段長10.0m。鋼梁節(jié)段采用栓焊組合連接，即頂板焊接，腹板和底板采用高強螺栓連接。由于橋面設(shè)計為雙向4車道，橋面較窄，加勁梁寬跨比較小，加勁梁風嘴較短，全橋顫振穩(wěn)定性無法滿足規(guī)范要求。為滿足結(jié)構(gòu)顫振穩(wěn)定性需要，加勁梁采用尖端型風嘴型式。寶塔坪大橋加勁梁斷面圖見圖9。5錨設(shè)計寶塔坪大橋右岸地勢平緩，采用重力式錨碇，左岸充分利用山體地理優(yōu)勢，錨碇設(shè)計為隧道式錨碇。5.1斜式錨碇的優(yōu)點寶塔坪大橋為空間三維纜索體系懸索橋，右岸若采用傳統(tǒng)的錨碇結(jié)構(gòu)形式，則主纜在錨碇位置處橫向形成折角，將存在如下難題。1）主纜各索股、主纜錨固系統(tǒng)受力較不均勻。2）主纜因折角產(chǎn)生附加應(yīng)力，導致主纜應(yīng)力增大。3）位于散索點處的散索鞍不僅受到豎向面內(nèi)荷載作用，且受到較大的橫向面外荷載作用，承受面外荷載將增加結(jié)構(gòu)設(shè)計難度。4）散索鞍為適應(yīng)主纜在散索點處的轉(zhuǎn)角，散索鞍的鞍槽需在水平面形成圓弧狀，豎直面本來是半徑多次變化的（3次以上）復雜的圓弧形狀，若水平面做成圓弧狀，使得散索鞍設(shè)計、制造加工極為復雜，導致空間受力復雜、計算十分繁瑣。寶塔坪大橋?qū)鹘y(tǒng)的平行于橋梁縱向的錨體按照邊跨主纜的方向進行旋轉(zhuǎn)，變成傾斜式錨碇，使得主纜錨跨段和邊跨段在同一條直線上，上、下游側(cè)2個錨體不再平行，而是呈錐形，解決傳統(tǒng)錨碇出現(xiàn)的一系列問題。采用傾斜式錨碇，具有以下優(yōu)點。1）主纜錨跨段和邊跨段在同一條直線上，主纜索股和錨固系統(tǒng)受力均勻，各索股和錨固系統(tǒng)可采用同等尺寸的安全度，避免同一構(gòu)件因受力不同而采用多種尺寸，簡化設(shè)計、制造和施工。2）主纜在散索點平順通過、無折角，避免主纜索股因為彎折而產(chǎn)生附加應(yīng)力，主纜在散索鞍鞍槽中直線通過，對散索鞍不產(chǎn)生面外荷載。3）由于主纜在散索點處直線通過，散索鞍采用傳統(tǒng)散索鞍形式，只需在豎直面采用變直徑的圓弧形錨跨，在水平面采用直線形狀，大大簡化鞍的設(shè)計和加工。5.2國內(nèi)最長貓道洞左岸地勢陡峭，為較高的山體，出于經(jīng)濟性考慮，左岸錨碇充分利用現(xiàn)有地形，選用隧道式錨碇。為確保隧道式錨碇錨固可靠，錨塞體選擇嵌固在微風化巖層內(nèi)，由于山體表面較深的一段范圍內(nèi)巖石較為破碎，導致隧道式錨碇貓道洞較長，貓道洞長達88m，為國內(nèi)最長貓道洞。貓道洞橫斷面越大，則貓道洞的開挖量越大。因此，設(shè)計時摒棄傳統(tǒng)的大型機具運輸方式，在88m長的貓道洞內(nèi)安裝滑道，通過頂推滑動的方式，將重量50t的散索鞍鞍體運輸?shù)轿唬畲蟪潭鹊販p小開挖面，節(jié)約工程投資。左岸隧道式錨碇錨體同右岸重力式錨碇錨體設(shè)計形式，亦采用傾斜式錨固形式。6空間斜平面主索鞍若主索鞍采用傳統(tǒng)豎直主索鞍，主索鞍不僅受到豎直面的垂直壓力，還要受到很大的水平面外力。水平面外力對索鞍形成較大剪力和彎矩，受力較為不利。寶塔坪大橋主索鞍采用空間斜平面主索鞍，傾斜的方向選擇在豎向力和水平力的合力線上，傾斜后主索鞍受力模式同傳統(tǒng)平面索懸索橋主索鞍，僅受到面內(nèi)壓力，無面外荷載?？臻g索面主索鞍鞍槽曲線具有豎直面與水平面內(nèi)曲線特征，通過斜置索鞍使得空間主纜對索鞍的合力方向與索鞍傾斜面一致，保證索鞍受力合理。寶塔坪大橋是空間斜平面索鞍在國內(nèi)大跨徑地錨式懸索橋上的首次應(yīng)用，具有一定的創(chuàng)新意義和實用價值。寶塔坪大橋主索鞍側(cè)面布置圖見圖10。7橫向變距式纜載吊機寶塔坪大橋橋塔、錨碇、纜索體系施工和平面索體系懸索橋基本相同，加勁梁的架設(shè)則比普通平面索懸索橋繁瑣；與平面索懸索橋不同，空間索懸索橋的空纜線形與成橋線形橫向差別較大?？绽|與成橋主纜線形示意圖見圖11。由于主纜的空纜線形到成橋線形變化較大，所以吊裝加勁梁的纜載吊機在橫向橄欖型主纜上行走不能采用常規(guī)的等距式纜載吊機，需采用橫向變距式纜載吊機。經(jīng)研究，纜載吊機受力時變距難度大，因此在吊梁前需在主纜之間設(shè)置多道橫撐，將主纜撐頂至成橋位置，然后將變距式置于橄欖型主纜之上，使纜載吊機逐步橫向變距。在主纜橫向撐至成橋位置后安裝索夾，索夾安裝時應(yīng)準確定位索夾橫向傾角。寶塔坪大橋主跨采用7道橫撐，每100m設(shè)置1道橫撐，最大橫撐軸力為60t，軸力均較小。橫撐在一定范圍內(nèi)可任意變跨度的步履式頂撐裝置，通過加節(jié)、頂推實現(xiàn)主纜撐開。步履式頂撐裝置主要由標準桁架節(jié)段、夾纜裝置、頂推滑移裝置、輔助吊機和同步控制系統(tǒng)等部分組成。步履式頂撐裝置示意圖見圖12。8空間索面懸索橋特點以寶塔坪大橋為背景，介紹空間索面懸索橋和傳統(tǒng)平面索懸索橋在橋塔、加勁梁、錨碇、主索鞍的設(shè)計及施工的不同，得到以下結(jié)論。1）傳統(tǒng)平面懸索橋塔頂橫向距離為固定不變值，塔型相對單一，基本為H形；空間索面懸索橋塔頂橫向間距可隨意調(diào)整，橋塔選型較為豐富。橋塔塔頂位置處，除受主纜傳給橋塔的巨大豎向力外，還有主纜的水平力，使主塔塔頂?shù)臋M梁比平面索懸索橋配置更強。2）空間索面懸索橋加勁梁設(shè)計和傳統(tǒng)平面懸索橋基本相同。3）傳統(tǒng)平面懸索橋錨碇為平行錨碇；空間索面懸索橋合理的錨碇形式為傾斜式錨碇。4）傳統(tǒng)平面懸索橋主索鞍在豎直平面內(nèi)；空間索面主索鞍鞍槽曲線具有豎直面與水平面曲線特征，通過斜置索鞍使主纜對索鞍的合力方向與索鞍傾斜面一致。5）空間索面懸索橋安裝加勁梁時，先將主纜用橫向頂撐成成橋線形，用變距式纜載吊機起吊加勁梁拼裝，與傳統(tǒng)平面懸索橋截然不同?？臻g索面懸索橋比平面索面懸索橋具有更佳的觀賞性、更優(yōu)的動力性能，在城市橋梁與旅游景區(qū)橋梁、跨越江海、峽谷的橋梁中，空間索面懸