重庆双碑大桥主桥斜拉桥设计

重庆双碑大桥主桥斜拉桥设计

曹洪武

(中铁大桥勘测设计院有限公司,湖北武汉430050)

摘 要:重庆双碑大桥主桥为主跨330m的高、低塔索面混凝土曲线斜拉桥。主梁采用单箱三室混凝土结构。桥塔采用独柱式,低塔边跨侧位于曲线上,为减少索的横向分力对结构的影响,靠曲线外侧布置竖向预应力钢绞线束。斜拉索采用高强低松弛镀锌钢绞线索。结合地质情况,高塔墩采用24根 2.5m钻孔灌注桩基础;低塔墩采用明挖扩大基础。高、低塔均采用塔、墩、梁固结体系。为减少塔根弯矩,下塔墩中间设20cm的竖缝;通过优化桥塔尺寸,有效控制了主梁横向扭转角和桥塔横向位移。高塔墩基础采用双壁钢围堰法施工,低塔墩基础采用围堰或筑岛辅助施工;主梁7m标准节段采用前支点挂篮现浇施工。

关键词:斜拉桥;桥塔;混凝土梁;结构设计;桥梁设计

中图分类号:U442.5;U448.27文献标志码:A

Design of Cable Stayed Bridge for Main Bridge

of Shuangbei Bridge in Chongqing

CAOHong wu

(China Railw ay M ajor Br idg e Reconnaissance&Desig n Institute Co.,L td.,W uhan430050,China)

Abstract:The main bridge of the Shuangbei Bridg e in Cho ng qing is a central cable plane con crete curved girder cable stayed bridge w ith a main span330m and w ith unequal heig ht pylons.

The main g ir der o f the bridg e is a3 cell sing le box concrete structure.T he py lons are the single column ones,o f which the part of the low py lon on the side span is on curved line.T o m inimize the influence of tr ansv er se co mpo nent of stay cables on the structure,on the outer side of the curved line,the vertical prestr essing strands ar e arranged.The stay cables are used w ith the low relax atio n hig h strength galv anized steel strands.In view of the g eolog ic conditio ns at the bridge site,the fo undation for the high pylo n pier is provided w ith24no s.of 2.5m bor ed piles while that for the lo w pylon pier w ith the o pen excav ated spread foundation and bo th the high and low py lons are designed as a rigid fix ity sy stem o f pylo n,girder and pier.To reduce the bending mo m ent in a py lon fo oting,the20cm lo ng vertical joint is set in the middle of the low er part of the py lon and through o ptimization of dim ensio ns of the pylon,the transverse to rsional ang le of the main girder and the transverse displacement of the py lon are effectiv ely controlled.The founda tion fo r the hig h pylo n is constructed by the do uble w all steel cofferdam while that for the low py lo n is constructed by the aid o f the cofferdam or the artificial island.The7m long standard seg m ents of the m ain girder is constructed by the cast in situ method by the fr ont suppo rt form tr av elers.

Key words:cable stayed bridg e;py lon;concrete g ir der;structur al desig n;bridg e desig n

收稿日期:2010-06-01

作者简介:曹洪武(1974-),男,高级工程师,1995年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业,工学学士,2007年毕业于同济大学桥梁工程专业,工程硕士(caohw@brdi.com.cn)。

1 工程概况

重庆双碑大桥位于重庆市主城区西部,距重庆市中心约15km,连接沙坪坝区和江北区,属重庆市主城区 5619 快速路网规划中三横线的重要节点工程,计算行车速度60km/h 。双碑大桥西岸接双碑,跨越嘉陵江,东岸过江北农场与石马河立交相连,主线总长约为3.84km,通航标准为内河!级。其中主桥跨越嘉陵江部分为(75+145+330+95)m 高、低塔混凝土斜拉桥,主桥立面布置见图1

。

图1 重庆双碑大桥主桥立面布置

2 总体设计2.1 平、立面布置

该桥主桥长5m,起止点里程为K8+100~K8+745m ,受两岸线路接线控制,其中K8+100~K8+684.43m 位于直线上,K8+684.43~K8+744.43m 位于缓和曲线上,K8+744.43~K8+745m 位于半径430m 的圆曲线上。

纵断面竖曲线半径为15000m,纵坡为1.0%的人字坡。由于受东岸引道接线高程控制,主桥梁底净空高35m,大于通航净空要求的10m 。2.2 横断面布置

该桥车道布置为双向6车道,两侧各布置2m 宽的人行道,全宽除考虑行车、行人使用性能外,综合考虑斜拉索的锚固与上塔柱结构,确定桥面宽度为32.5m(含泄水槽全宽33.5m)。2.3 孔跨布置及桥型选择

主通航孔采用单孔双向通航布置,通航净宽不小于270m ,为避开航迹线,高塔墩置于主航道双碑岸侧(里程K8+320m),墩高约m 。东岸下游130m 为城市主要饮用水水源保护区,东岸水域不能设墩。因此主孔跨径取330m,低塔墩置于里程K8+650m 处,墩高58m,位于岸边,跨越了船舶航迹线范围以及东岸水源保护区。

经综合考虑该桥采用双塔混凝土斜拉桥结构。

由于低塔边跨位于曲线上,如采用等高双塔,低塔边

跨过多进入圆曲线,结构受力复杂,且斜拉索侵入行车道限界,尽管可通过调整梁宽来解决,但视觉效果较差;此外低塔位于岸边,边跨过大也不美观。最终确定主桥跨径为(75+145+330+95)m,采用高、低塔混凝土斜拉桥,独柱式桥塔,平行索面(两索面横向间距1.8m ),该桥很好地体现了重庆山城特色[1]

。3 结构设计3.1 主梁

主梁采用混凝土加劲梁,为减少主梁自重又不降低主梁横向抗扭刚度,采用单箱三室截面,并增加外腹板向外的倾斜率,减小主梁底板宽度,形成倒梯形截面,符合主梁受力特点,且外形流畅,利于抗风。主梁顶板宽32.5m,底板宽9.0m,梁高3.6m,两侧悬臂板各长4.0m,主梁一般截面见图2。

图2 主梁一般截面

为了提高主梁整体刚度,每3.5m 设1道横梁,副横梁厚0.3m;斜拉索锚固所对应的主横梁在中隔箱处厚0.6m,两侧边箱处厚0.3m ;低塔压重区横梁均加厚至0.7m 。

对该桥进行节段模型与整体模型试验等抗风研究,结果表明:斜拉桥在无气动措施的情况下,颤振临界风速均大于133m/s,远大于检验风速62.9m/s 。3.2 桥塔3.2.1 桥塔造型

结合桥址自然和人文环境,构思了2种桥塔造型(图3),方案1为塔、墩、梁交接处采用手托造型,高、低塔索面象征重庆山城,寓意双手托起山城;方案2为塔墩取消手托造型,塔顶处理成曲线的切角,造型简洁、生动。经比较桥塔造型最终选用方案2。

3.2.2 桥塔结构

上塔柱为单箱单室钢筋混凝土结构,采用C50混凝土。高塔上塔柱高108.3m ,截面外轮廓7m ∀4.5m~8.795m ∀5.0m ;低塔上塔柱高60.3m,截

图3 桥塔造型方案

面外轮廓6.5m ∀4.5m~7.215m ∀5.0m 。其中索塔锚固区顺桥向壁厚1.5m ,侧壁厚0.8m 。下塔墩采用2个分离式塔墩,两者顺桥向间隔

0.2m,塔墩为单箱单室钢筋混凝土结构。高塔墩高63.9m,截面外轮廓顶部9m ∀8.856m,根部13m ∀10m ;低塔墩高58m ,截面外轮廓顶部9m ∀7.262m ,根部13m ∀8m 。桥塔结构示意见图4

。

图4 桥塔结构示意

上塔柱斜拉索直接锚固在塔壁上,为了平衡斜拉索在塔壁上产生的拉力及边、中跨斜拉索间不平衡水平拉力,在上塔柱斜拉索锚固区均匀布置井字形 32预应力粗钢筋(标准强度f pk =785M Pa )。低塔边跨位于曲线上,斜拉索索力分力对低塔产生横向弯矩,为减少横向弯矩对结构的影响,在低塔上塔柱靠曲线外侧布置竖向预应力束,采用 s

15.2钢绞线(标准强度f

pk

=1860M Pa)。

根据船撞专题研究,高塔墩船舶撞击最大正撞力21.4M N,撞击作用点高程范围170~193.43m 。

从塔墩结构自身防船撞考虑,高塔墩194m 高程以下回填C15混凝土,为了不增加塔墩的抗弯刚度,回填混凝土与塔墩内壁间设置油毛毡隔开。3.3 斜拉索

斜拉索采用扇形平行索面,两索面横桥向间距1.8m,高塔每索面布置29对斜拉索(主跨侧主梁拉索范围215m),低塔每索面布置15对斜拉索(主跨侧主梁拉索范围115m)。梁端索距一般为7m,低塔边跨曲线段为4.15m,塔端索距约2m,全桥共176根斜拉索。考虑运输和后期换索方便等因素,斜拉索采用公称直径15.2mm 的高强低松弛镀锌钢绞线[2](抗拉强度#1860MPa)。斜拉索共6种规格,最小规格为15.2-27,最大规格为15.2-68。

3.4 桥塔基础

P26号高塔墩位于主河床,水深随季节变化大,覆盖层较薄,以卵石土为主,下伏基岩为砂质泥岩,微风化砂质泥岩单轴饱和抗压强度为8.1M Pa 。高塔墩采用钻孔灌注桩基础,共24根 2.5m 桩,梅花形布置,按嵌岩桩设计,桩长23m 。为了减小对通航水流条件的影响,高塔承台顶置于河床面以下,承台高6m,承台顶设高2.5m 的台式塔座。

P27号低塔墩位于岸边,覆盖层较薄,下伏基岩为砂岩,中风化砂岩单轴饱和抗压强度为25.7M Pa 。低塔墩采用明挖扩大基础,总高8m,分3层(层高为2.5m+2.5m+3m ),最底层基础平面尺寸为18m ∀23m ,采用C40混凝土,基底持力层为中风化砂岩。

3.5 支承体系

高、低塔均采用塔、墩、梁固结体系,辅助墩及两边墩均设置2个竖向支座,且设有横向抗震挡块。在解决恒载及活载作用下P28号墩及P25号墩顶负反力问题时,采用主梁两边箱内压重铁砂混凝土的方法[3]。

4 桥塔结构优化设计4.1 下塔墩剖缝

为减少桥塔在收缩、徐变、温度、汽车荷载作用下的塔根弯矩,设计中对以下结构形式进行计算比较:∃下塔墩全高剖20cm 缝(工况1);%半高剖20cm 缝(工况2);&不剖缝(工况3)。塔根弯矩计算结果见表1。

由表1可知,工况2和工况3的塔根弯矩远大于工况1,从减少基础规模、节省造价考虑,最终采

项目

高塔根部弯矩/kN∋m低塔根部弯矩/kN∋m

工况1工况2工况3工况1工况2工况3预应力二次力7340011667313921484396128163150955收缩徐变 3304144095994616922783153539419981体系升降温 194306295175347120193553295948348540活载 7115410148112104946990785125819组合反力 74604410751241216330716635104741225932 注:表中组合反力还包含风荷载、塔和梁的日照温差荷载等。

用了工况1的方案,在下塔墩中间全高剖20cm的缝,将下塔墩一分为二,减小了塔墩的抗推刚度,改善了结构受力,且对塔墩外形影响很小。

4.2 桥塔轮廓尺寸

桥塔采用独柱式、索面,综合考虑拉索空间、结构受力、稳定、外观等因素,上塔柱横向宽度从塔顶处的4.5m变化至塔梁交接处的5m;高塔顺桥向宽度从塔顶处的7m变化至塔座处的10m,低塔顺桥向宽度从塔顶处的6.5m变化至塔座处的8m。

由于采用索面、大展翅主梁,下塔墩横向刚度关系到跨中主梁横向扭转变形,且低塔侧主梁位于平曲线上,拉索的横桥向分力对于低塔的横向受力和横向偏位影响较大,因此宜适当增加下塔墩横向刚度。设计时,对于下塔墩的结构尺寸进行了比选,主要在顺桥向宽度确定的情况下,考察下塔墩不同的横向宽度时,施工和成桥状态下桥塔的横向偏位、跨中主梁的横向扭转角。对下塔墩横向尺寸进行以下比较:∃墩顶宽7m,墩底宽11m(工况1); %墩顶宽9m,墩底宽13m(工况2);&墩顶宽12 m,墩底宽16m(工况3)。下塔墩横向不同宽度计算结果见表2。

表2 下塔墩横向不同宽度计算结果

工况

桥塔横向偏位/mm

合龙前合龙后徐变10年后活载作用引

起的低塔横

向挠度/mm

活载作用引起

的主梁横向

扭转角/(()

122.3934.2855.6716.280.46

217.0721.5926.598.90.43

310.3912.9215.81 6.530.41

根据表2的计算结果,并结合桥塔墩的纵向受力,下塔墩最终采用工况2的横向宽度(墩顶宽9 m,墩底宽13m)。5 主要施工方法

5.1 下部结构

高塔墩承台置于河床顶面以下,水深约10m,采用双壁钢围堰法施工。结合地质情况,先开挖承台基坑,后进行下放围堰、钢护筒及封底施工,在围堰顶安装平台进行钻孔桩施工,最后将围堰内水抽干进行承台及塔座施工。

低塔墩、辅助墩及边墩,充分利用枯水期施工,采用围堰或筑岛辅助施工。

5.2 上部结构

桥塔利用体内劲性骨架,辅以自升式塔吊,采用爬模法施工。考虑桥面距河床面较高、桥址处水位随季节变化很大以及洪水期安全渡洪等因素,主梁除0号段及低塔曲线段采用支架现浇施工外,其余均采用前支点挂篮现浇施工。主梁7m标准拉索节段重470t,辅助墩顶处几个节段主梁较重(559~ 708t),对挂篮过辅助墩带来一定难度,可采取墩顶辅助支架与挂篮相结合的方法施工。

6 结 语

重庆双碑大桥主桥为主跨330m的高、低塔索面混凝土曲线斜拉桥,丰富了斜拉桥的结构形式。该桥已于2009年1月开工,预计2012年建成,该桥的实践将为今后同类桥型的设计提供有益的借鉴。

参 考 文 献:

[1] 中铁大桥勘测设计院有限公司.重庆双碑嘉陵江大桥

工程施工图设计[Z].2009.

[2] 张 强,杨 进.湛江海湾大桥正桥总体设计[J].桥

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