自锚式预应力混凝土悬索桥的设计构思

  1引言

  自锚式悬索桥不需要修建大体积锚碇,特别适用于地质条件较差地区;同时由于主梁采用混凝土材料,可以克服钢结构悬索桥用钢量大、建造和后期维护费用高等缺点,故能取得良好的经济和社会效益。现代桥梁设计除了满足自身结构要求外,越来越注重景观设计,自锚式混凝土悬索桥具有其特有的结构曲线,外观优雅美观。在一定跨度范围内,此种桥型的适用性、经济性、美观性达到了完美的统一。

  本文结合工程实例,对一座三跨自锚式预应力混凝土悬索桥的设计进行了研究,并着重阐述了主梁、主塔、主缆及吊杆等主要受力构件的设计构思,对同类桥梁的设计选型具有较大的参考价值。

  2工程概况

  本工程为城市内跨河桥梁,河道宽约120m,由于其位于城市繁华地段,故对桥梁的景观性要求较高。桥位处地质条件较差,地下土多为淤泥及粘性土。经过经济性、景观性比选后,最终选定采用三跨双塔双索面自锚式混凝土悬索桥方案。桥梁全长130m,跨径布置为30+70+30m;桥梁全宽30m,横向布置为2.5m人行道+2m吊杆区+21m车行道+2m吊杆区+2.5m人行道。桥梁总体布置如图1所示。

  3 设计构思

  3.1矢跨比

  主缆矢跨比直接影响悬索桥结构受力,是悬索桥设计中的一个重要指标。悬索桥常采用的矢跨比为1/8~1/12,矢跨比越大,则索的拉力越小,主缆及锚固点部分工程造价会大大降低,但塔高会大大增加,相应地桥塔部分工程造价会增大,反之亦然。对于中小跨径悬索桥,矢跨比对桥梁结构受力影响并不是很明显,故在设计中常采用较大的矢跨比以期达到较好的美学效果。在对桥梁进行安全性、经济性及美观性等多方面比较后,最终确定桥梁采用的矢跨比为1/5。

  3.2 主梁

  钢结构主梁具有自重轻、刚度大、收缩、徐变变形小及施工方便等优点,大跨度悬索桥主梁较多采用钢结构。早期悬索桥主梁一般为钢桁梁,和钢桁梁相比钢箱梁具有稳定性好、抗扭刚度大等优点,所以钢箱梁在现代悬索桥设计中应用越来越广泛。但钢结构主梁都不可避免地有用钢量大、建造和后期维护费用高等缺点,故应用起来常有很大的局限性。混凝土主梁能明显克服上述缺点,在满足结构受力的前提下经济耐用,故其在中小跨径悬索桥设计中被广泛采用。

  经过多种指标比选,最终确定本桥主梁采用预应力混凝土现浇箱梁,梁高2.0m,为满足主缆锚固要求,在梁端位置主梁局部加高到3.0m。主梁全宽30m,横桥向共设置了6道腹板,以保证主缆水平力的有效传递。顺桥向每隔4m设置一道横隔板,并配置横向预应力,来传递吊杆拉力。主梁配置15-12纵向通长预应力束及15-7墩顶短预应力束,以满足抗裂计算要求。

  3.3 主塔

  本桥采用塔墩固结体系,主塔采用框架结构形式,桥面以上塔高25m,塔顶设置横梁。由于塔高及桥塔受力均较小,所以桥塔及横梁均采用实心混凝土结构。桥塔顶部采用花瓶形造型,横梁采用变截面形式,以增加桥梁的观赏性。

  3.4 主缆及吊杆

  主缆及吊杆是悬索桥的主要受力构件,也是此类桥梁设计的难点所在。经计算,成桥主缆最大拉力达6200KN,主缆采用直径5mm高强平行钢丝,标准强度1670MPa,单根主缆由7股127根钢丝束组成,主缆直径为170mm。通过设置于塔顶的铸钢索鞍及锚固端的散索夹,来使主缆准确就位。全桥共设置42根竖直吊杆,均采用7-73丝平行钢丝成品索。

  3.5 施工流程

  1)桥梁基础施工;2)桥梁墩台及主塔施工;3)安装索鞍,架设主缆导向索;4)施工主梁并张拉纵、横向预应力束;5)架设主缆;6)紧缆、调整主缆线形,安装索夹及吊杆等;7)张拉吊杆,拆除主梁支架;8)桥面铺装及附属结构施工;9)按顺序调整吊杆拉力至合理值,成桥。

  4 结语

  自锚式预应力混凝土悬索桥具有结构合理、线形美观及工程造价低等优点,适合于对景观要求较高的中小跨径桥梁。本文结合工程实例,从矢跨比、主梁、主塔、主缆及吊杆等方面对此类桥梁进行了设计分析,探讨了此类桥梁受力及结构选型的特点,本文可作为同类桥梁设计分析的参考。

  

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