臨汾南外環(huán)汾河大橋關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)及分析

劉志華

(1.山西省交通科學(xué)研究院;　2.橋梁工程防災(zāi)減災(zāi)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;

3.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　太原　030006)

臨汾南外環(huán)汾河大橋關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)及分析

劉志華1-3

(1.山西省交通科學(xué)研究院;2.橋梁工程防災(zāi)減災(zāi)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;

3.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室太原030006)

摘要臨汾南外環(huán)汾河大橋?yàn)?0 m+150 m+90 m整幅3跨的索輔梁橋，橋?qū)?9.2 m，在國(guó)內(nèi)首次采用分離式三索面結(jié)構(gòu)形式，邊塔采用塔墩固結(jié)、中塔采用塔梁固結(jié)，有效地改善了超寬箱梁的受力和抗震性能。設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)特殊的構(gòu)造和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)解決了橋梁橫向和斜拉索受力要求，提高了橋梁的安全性能和斜拉索的可修性、可換性。斜拉索則引入一次性防腐的理念，采用了環(huán)氧涂層填充型鋼絞線(xiàn)、錨固體系，增強(qiáng)了斜拉索的防腐性能，提高了斜拉索的壽命。

關(guān)鍵詞索輔梁橋三索面寬箱分離式索塔抗滑錨防腐

1工程概況

臨汾市南外環(huán)汾河大橋是臨汾城南一級(jí)公路堯廟鎮(zhèn)大韓村至金殿鎮(zhèn)新風(fēng)村段的一座大橋，橫跨汾河和大運(yùn)高速公路。主橋采用橋跨布置為90 m+150 m+90 m的索輔梁橋，其橋跨布置見(jiàn)圖1。主梁采用按拋物線(xiàn)變化的變截面混凝土箱梁，塔柱處梁高5.2 m，跨中及邊墩處梁高2.5 m；橫橋向梁寬39.2 m，塔高36.0 m，采用分離式三索面布置。斜拉索采用防腐性能較好的環(huán)氧噴涂

鋼絞線(xiàn)；斜拉索索面按扇形布置，每一扇面由18對(duì)斜拉索組成，標(biāo)準(zhǔn)索距5 m。主跨及邊跨混凝土箱梁均采用支架現(xiàn)澆施工[1]。

圖1　橋跨布置圖(單位：cm)

2橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在本橋方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合自然環(huán)境、材料及結(jié)構(gòu)因素等進(jìn)行分析，提出了索輔梁橋的設(shè)計(jì)方案，3號(hào)、4號(hào)墩為索塔所在位置，各墩處分別設(shè)置3根塔柱，中塔與箱梁固結(jié)，與橋墩分離；邊塔與橋墩固結(jié)，與箱梁分離。每一塔柱上設(shè)置1面斜拉索。3根塔柱的塔頂標(biāo)高相同，橋面以上中塔高36.0 m。索塔橫截面為變截面矩形截面，由塔頂處按圓曲線(xiàn)向塔底逐漸變大。索塔的外索最高為30.0 m，與主跨跨徑之比為1/5，近似于普通斜拉橋的比值，增添了幾分斜拉橋的雄姿與優(yōu)美[2-4]。

本橋采用雙向8車(chē)道，荷載等級(jí)為公路I級(jí)，主梁采用整幅現(xiàn)澆的單箱5室無(wú)懸臂斜腹板變截面混凝土箱梁。箱梁頂板寬39.2 m(索塔處頂板寬35.0 m)，箱梁底板寬28.20~35.26 m。為了防止混凝土箱梁開(kāi)裂，主梁采用了三向預(yù)應(yīng)力混凝土，同時(shí)在中跨和邊跨分別增設(shè)了21和26道預(yù)應(yīng)力混凝土橫隔板，通過(guò)橫隔板的橫剛度效應(yīng)，改善預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁頂、底板的橫向受力。限于篇幅，本文僅對(duì)橋梁的橫向受力、索力及應(yīng)力幅進(jìn)行分析闡述。

3主梁橫橋向分析

3.1　持久狀況承載能力分析

設(shè)計(jì)中根據(jù)超寬箱梁的特點(diǎn)，采用平面框架法對(duì)箱梁橫向行車(chē)道板進(jìn)行受力分析。將支撐設(shè)置于箱梁腹板下側(cè)，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004，以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)有關(guān)規(guī)定確定車(chē)輪荷載作用下橋面板的有效分布寬度。將有效寬度內(nèi)的車(chē)輪荷載除以有效分布寬度，得到單位寬度上的作用荷載集度。應(yīng)用平面框架有限元法計(jì)算分析箱梁的橫向內(nèi)力及應(yīng)力，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2　橫向分析計(jì)算模型

根據(jù)《規(guī)范》中第4.1.6條規(guī)定，公路橋涵結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，圖3、圖4為承載能力基本組合狀態(tài)下的箱梁橫向抗力及對(duì)應(yīng)的內(nèi)力包絡(luò)圖。

圖3　承載能力組合下最大、最小彎矩

圖4　承載能力組合下最大、最小剪力

3.2　主梁截面抗裂分析

持久狀況正常使用極限狀態(tài)截面抗裂驗(yàn)算。橫向框架為預(yù)應(yīng)力混凝土A類(lèi)構(gòu)件，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)中第6.3.1條對(duì)箱梁橫向截面混凝土拉應(yīng)力進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　截面抗裂驗(yàn)算表

其抗裂驗(yàn)算長(zhǎng)、短期荷載效應(yīng)組合下正截面和斜截面皆滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.3　主梁截面應(yīng)力分析

(1) 持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算。持久狀況下橫橋向主梁截面的應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算表

(2) 短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算。主梁截面邊緣混凝土在施工階段的法向正應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算表

另外，使用階段鋼束標(biāo)準(zhǔn)值組合下最大應(yīng)力為1 149 MPa，小于0.65fpk=1 209 MPa，表明在使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土鋼束的拉應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.4　斜拉索內(nèi)力分析

該橋采用中塔與箱梁固結(jié)，與橋墩分離；邊塔與橋墩固結(jié)，與箱梁分離的分離式三索面斜拉索結(jié)構(gòu)形式，完全不同于普通斜拉橋(塔、墩固結(jié))或矮塔斜拉橋(塔、梁固結(jié))體系，大大減小了主梁3號(hào)、4號(hào)橋墩處支座反力，同時(shí)邊塔與主梁的構(gòu)造分離增強(qiáng)了橋梁的抗震性能。但是，這樣會(huì)造成邊塔斜拉索索力和應(yīng)力幅較大，需要對(duì)邊塔斜拉索進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算。

(1) 斜拉索內(nèi)力分析。本橋受力特性更符合矮塔斜拉橋，拉索按體外索設(shè)計(jì)，容許應(yīng)力采用0.60fpk=1 002 MPa。斜拉索采用二次張拉，施工階段索力值C1~C9控制在3 200 kN，成橋后斜拉索張拉索力調(diào)整為3 200，3 600，3 800和4 000 kN。受力最不利的3號(hào)墩邊斜拉索內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　標(biāo)準(zhǔn)組合下斜拉索最大內(nèi)力

注：斜拉索編號(hào)從靠近主塔到遠(yuǎn)離主塔依次為C1~C9。

從表4可見(jiàn)，3號(hào)墩邊斜拉索C1～C5采用內(nèi)力控制，保證其安全系數(shù)在2.4以上。對(duì)于其他斜拉索，根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D65-01-2007)按體外索設(shè)計(jì)，其容許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度≤0.6fpk，安全系數(shù)≥1.67，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2) 斜拉索應(yīng)力幅分析。采用Midas計(jì)算程序?qū)π崩髟跇?biāo)準(zhǔn)組合作用下的應(yīng)力幅進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　標(biāo)準(zhǔn)組合作用下斜拉索應(yīng)力幅　MPa

計(jì)算結(jié)果表明，在最不利標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，3號(hào)墩邊塔斜拉索應(yīng)力幅較大，達(dá)到了160 MPa，因此橋塔斜拉索錨固裝置采用了新研制的抗滑錨固系統(tǒng)，在增強(qiáng)拉索抗滑能力的同時(shí)，也為以后斜拉索的維修保養(yǎng)和更換提供了便利[5-7]。

4結(jié)語(yǔ)

臨汾南外環(huán)汾河大橋設(shè)計(jì)結(jié)合地形、地貌及景觀(guān)的需要，采用了索輔梁橋結(jié)構(gòu)形式，使其在矮塔斜拉橋合理受力的基礎(chǔ)上兼具斜拉橋的雄壯外觀(guān)。這都是通過(guò)特殊的構(gòu)造及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

(1) 針對(duì)本橋超寬大跨主梁，采用三索面斜拉索結(jié)構(gòu)體系，有效地降低了梁高，改善了橋梁的橫向受力。

(2) 本橋采用中塔塔梁固結(jié)，邊塔塔墩固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，有效分散主梁自重，減小支座反力，避免了采用大型支座。

(3) 在主梁斜拉索錨固區(qū)域設(shè)置剛性橫隔板，有效加強(qiáng)了箱梁索力橫向傳遞，改善了箱梁的橫向受力性能。

(4) 針對(duì)斜拉索應(yīng)力幅相對(duì)較大，換索困難的技術(shù)難題，在索塔部位采用了新型錨固裝置，即抗滑錨，提高了橋梁的安全性能和斜拉索的可修性、可換性。

(5) 引入一次性防腐理念，斜拉索采用環(huán)氧涂層填充型鋼絞線(xiàn)、錨固體系，增強(qiáng)了斜拉索的防腐性能，提高了斜拉索的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-03-11

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.005