独塔宽幅矮塔斜拉桥的设计与分析

独塔宽幅矮塔斜拉桥的设计与分析

陈从春1,夏巨华2,肖汝诚1,何　鹏1

(11同济大学桥梁工程系　上海市　200092;21中国市政工程中南设计研究院　武汉市　430010)

摘　要:介绍了江苏昆山吴淞江大桥的设计与分析过程,并对平面应力和空间应力进行了讨论。该桥是一座跨径为10011m +10011m ,宽度为33m 的单索面矮塔斜拉桥,是目前同类结构中跨度较大、桥幅最宽的结构,主梁、桥塔、拉索等构造均比较新颖,可作其他桥梁设计借鉴参考之用。

关键词:矮塔斜拉桥;宽幅;设计;分析

　　吴淞江大桥位于江苏省昆山市吴淞江河跨处,主桥是一座跨径为10011m +10011m ,宽度为33m 的单索面矮塔斜拉桥。该桥在目前同类结构中跨径居第3位,宽度居第1位。桥上设计行车速度为50km h ;设计荷载,汽车为城市-A 级,人群为214kPa ,地震设防烈度为7度。桥梁采用塔、梁、

墩固结体系,主要构件都有一定的新颖性,效果

较好。1　设计概要111　总体布置

吴淞江大桥全桥共设14对拉索,索间距为

410m ,近塔端设有28m 的无索区段,

边墩附近设有20167m 的无索区段。总体布置如图1所示。

单位:m

图1　主桥立面布置

112　主梁

主梁采用变截面箱梁,塔根处梁高为510m ,跨中梁高310m ;梁高变化段在塔根无索区段,变化线　　

型为半径为16229m 的圆曲线。箱梁断面为单箱五室,箱底宽2514m ,顶宽33m ,其中悬臂长318m 。箱梁断面如图2所示。斜拉索锚固在中室内。箱形断

收稿日期:2005-11-28

　公路　2006年5月　第5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H IGHW A Y 　M ay 12006　N o 15　

面的主梁可以提供较大的抗扭刚度,与单索面拉索相适应

。

单位:c m

图2　主梁断面

113　主塔

吴淞江大桥的主塔别具一格,截面为椭圆形,下大上小逐渐变化。索塔布置于分隔带,与主梁和桥墩固结。索塔总高度为421091m ,分为两段,其中下段高271411m ,椭圆变化段,下端椭圆的断面尺寸为512m ×3m ,上部椭圆断面尺寸为412m ×2m ,椭圆长轴与桥梁纵轴线重合;上段高为14168m ,断面尺寸由412m ×2m 的椭圆变化至直径为015m 的圆。塔顶设不锈钢饰件,塔身采用凹形线条美化。优美的塔身构造成为桥梁的点睛之笔(见图1)。114　拉索和鞍座

斜拉索为单索面,平行竖琴式布置,水平倾角为20°,全桥共14对,28根。拉索采用OVM 200型钢绞

线群锚体系,每根拉索由73根拉索连续通过索塔顶部的鞍座,两侧对称地锚固于主梁中的横梁上。每对拉索对应一个鞍座。鞍座采用集束管式,即采用76根外径为280mm 的小钢管并列焊接而成,每根钢管里布置一根钢绞线。集束管式鞍座的弯曲半径为415m ,如图3所示。这种鞍座内每根钢绞线相互平行,受力明确,与双套管鞍座内的钢绞线相互挤压在一起相比,在受力上具有明显的优点,但施工工艺要复杂一些

。

单位:mm

图3　鞍座构造

2　结构计算211　平面分析

主桥纵向计算主要包括悬臂施工、体系转换等施工阶段的计算和成桥初期、成桥后期(3年)运营阶段的计算。施工阶段主要计算荷载为:自重、预应力、不同龄期混凝土的收缩和徐变以及施工荷载等。在成桥运营阶段,考虑了汽车、人群、墩台沉降、温度力、支座摩阻力等作用及影响。其中温度荷载考虑了体系升降温20℃、桥面升温5°、索梁塔温差±10°;支座沉降按115c m 考虑。计算采用平面杆系程序,不考虑塔梁的几何非线性,斜拉索的非线性影响,通过修正拉索弹性模量的方法予以考虑。

正常使用极限状态下主梁、主塔以及拉索的应力包络图如图4所示(限于篇幅,只列出计入3年徐变后主力组合下的计算结果)。

计算表明,主要组合荷载下,主梁压应力最大值为13137M Pa ,拉应力最大值为0194M Pa ;索塔的压应力最大值为9161M Pa ,不承受拉应力。主要构件满足预应力混凝土A 类构件。

主要组合下,拉索最大应力为82518M Pa ,拉索最大应力变幅为3513M Pa ;附加组合下,拉索最大应力为84915M Pa ,拉索最大应力变幅为8213M Pa 。拉索容许应力[Ρ]=0.45Ρy b ,取值参照斜拉桥的规定,因此疲劳满足要求。

计算结果表明,徐变对主梁、索塔和拉索的应力以及拉索应力变幅影响不大,在5%以内。212　空间分析

由于桥面比较宽,又是单索面,为验证平面杆系计算结果,本桥还采用空间实体单元模型对恒载状态的应力进行了计算,如图5和图6所示。空间模型计入了纵向预应力和横向预应力效应。图5是恒载作用下3个代表性截面的顶板横向应力分布图,这3个截面分别取自塔根无索区段、跨中有索区段、边墩无索区段。

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图4　营运3

年主力组合下的应力包络图

图5　横向应力分布图

从图5可以看出:

(1)塔根无索区段和边墩无索区段顶板横向应力分布规律比较相似,但与有索区段的应力分布规律不同;

　　(2)箱梁悬臂板外侧1 3附近的应力都比较大;

(3)横向剪力滞现象比较严重,有索区段较无索区段更突出,而且表现出明显的负剪力滞现象;

(4)顶板均为压应力,且满足规范要求。图6是空间实体单元和平面杆系单元计算的各截面纵向应力比较结果,其中空间实体单元的截面应力是顶缘、底缘取一定点数的纵向应力进行算术平均而得。

图中可以看出:

图6　纵向应力分布

(1)恒载作用下箱梁上缘、下缘均为压应力,应

力在2～10M Pa 之间;

(2)恒载状态下,箱梁上缘压应力最大处在外索区段,而此段下缘应力却较小;

(3)平面杆系单元和空间实体单元的平均结果

有一定的差异,但差值不大,而且变化的趋势比较一致。可以认为两种分析的结果是吻合的。

除上述计算之外,还对结构在安装及运营状态下,梁、塔的稳定和地震、风振效应也进行了计算,结果表明不控制计算。

—

95—　2006年　第5期　　　　　　　　　　　陈从春等:独塔宽幅矮塔斜拉桥的设计与分析

3　施工

基础施工采用常规方法。梁体施工采用悬臂浇注法。主梁划分为44个梁段,其中0号段长12m ,21号合拢段长2m ,1～6号梁段长3m ,7～20号梁段长4m ,22号支架现浇段长1917m 。0号、22号梁段在支架上现浇,1～20号梁段采用挂篮浇注施工,21号合拢段用吊篮浇注。主塔和鞍座与0号块在同一个阶段内施工。

拉索施工在相应阶段内完成,拉索索力张拉一次到位,不再调整索力。4　科研及试验

本桥的鞍座采用集束管式,拉索在主塔两侧的固定也与以往不同。为验证主塔两侧拉索的锚固性能及主塔鞍座区段的受力性能,拟对本桥做下列科研试验:

(1)主塔鞍座节段模型试验;

(2)主塔鞍座处拉索抗滑性能试验。

5　结语

矮塔斜拉桥是一种较新的桥型,在经济性能和桥梁美观方面有一定的优势。自20世纪90年代初期在日本得到应用以来,目前发展较为迅速。国内已建和在建的矮塔斜拉桥也有近10座。这种桥梁的空间应力有许多特别之处需引起注意。吴淞江大桥是目前最宽的矮塔斜拉桥,该桥的建成将为此类桥梁积累经验。该桥于2004年2月动工,目前已经竣工。参考文献:

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计规范[S ]1

D esign and Analysis of An Extradosed Cable -stayed

Br idge w ith a W ide D eck and Si ngle Pylon

CH EN Cong -chun 1,X IA J u -hua 2,X IAO R u -cheng 1,H E P eng

1

(11T he D epartm ent of B ridge Engineering ,Tongji U niversity ,Shanghai 200092,Ch ina ;21Ch ina M unici pal Engineering Central South R esearch and D esign Institute ,W uhan 430010,Ch ina )

Abstract :T he design and analysis of W u song R iver B ridge in Kun shan C ity of J iangshu P rovince is in 2troduced and its p lane stress and sp atial stress are also discu ssed 1It is a (10011+10011)m eters long and 33m eters w ide ex trado sed cab le stayed b ridge w ith a single 2p lane 2cab le ,w h ich has the w idest deck and longer sp an com p ared to si m ilar b ridges 1T he confo rm ati on of girder ,p ylon and cab le is novel 1It can be a reference fo r hom o logou s b ridges 1

Key words :ex trado sed cab le 2stayed b ridge ;w ide deck ;design ;analysis

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