東江特大橋主航道橋方案設(shè)計(jì)

1、東江特大橋主航道橋方案設(shè)計(jì)城市遵轎與防洪第2期2003年3月東江特大橋主航道橋方案設(shè)計(jì)王春生,黃道沸(廣州市市政設(shè)計(jì)研究院,廣州市510060)摘要:東江特大橋主航道橋投標(biāo)方案設(shè)計(jì)為160m+8Om獨(dú)塔單索面斜拉橋.主跨加勁梁為鋼箱梁,邊跨加勁梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁.該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理.造型輕巧美觀.在節(jié)省材料,縮短工期方面具有優(yōu)越性.本文主要介紹東江特大橋橋型總體設(shè)計(jì).包括自然條件,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)計(jì)算及施工要點(diǎn).關(guān)鍵詞:斜拉橋;加勁梁;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):U448.27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10097716(2003)02005204l概述東江特大橋是廣州市廣園快速路延長(zhǎng)線上跨越東江主,副航道

2、的一座特大橋.大橋全長(zhǎng)2401TI.大橋橋面寬度321TI,雙向6車道.設(shè)計(jì)荷載為城一A級(jí).設(shè)計(jì)行車速度80km/h.2橋位自然條件2.1地形地物東江特大橋分別跨越東江主,副航道連接白鶴洲,河北岸為稻田及荔枝園,南岸有沙場(chǎng),造紙廠和住宅區(qū)等.東江干流為級(jí)航道,通航水位為20年一遇的水位9.641TI,航道通航凈寬701TI,通航凈高101TI,場(chǎng)區(qū)地處東江三角洲平原,地勢(shì)開闊低平,河床穩(wěn)定,河道較窄,水流較急,局部河岸順直且建有防洪堤.2.2地質(zhì)橋位覆蓋層為第四系人工堆積層,沖積層,殘積層及第三系中新統(tǒng)砂巖.基巖按風(fēng)化程度可分為強(qiáng)風(fēng)化帶,中風(fēng)化帶,微風(fēng)化帶.其中,中,微風(fēng)化帶基巖承載力較高,可

3、作樁基持力層.大橋處于珠江三角洲地帶,為臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū).2.3地震東江特大橋橋位位于東莞市中堂鎮(zhèn)與仙村鎮(zhèn)交界的東江白鶴洲附近,該工程所處的區(qū)域位于我國東南沿海地震帶的中段.按地震區(qū)劃屬度區(qū).鑒于該工程的重要性,特編制了廣園東路三收稿日期:20020527作者簡(jiǎn)介:王春生【1972一),男.山東聊城人.工程師,工學(xué)碩士.從事道路橋梁設(shè)計(jì)工作.一52一期工程?hào)|江(白鶴洲)大橋工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告,結(jié)果顯示,場(chǎng)地較為復(fù)雜,離散性較大,作為工程偏于保守的原則,尤其是對(duì)橋梁一類大跨度結(jié)構(gòu),因此取較為惡劣情況.根據(jù)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范JTJOO489,場(chǎng)地覆蓋土層介于及類場(chǎng)地土之間.根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

4、GBJll一89,場(chǎng)地覆蓋土層屬于中軟場(chǎng)土地,其場(chǎng)地類別大致相當(dāng)于類.場(chǎng)地地面脈動(dòng)平均卓越周期為0.162t0.365S.場(chǎng)地基巖1o0年超越概率10及2的基巖加速度峰值分別為90.45gal和159.74gal.場(chǎng)地100年內(nèi)超越概率l0及2的地震烈度分別為7.11和7.90.本橋位場(chǎng)地的地震烈度復(fù)核為7度.2.4氣象,水文橋位區(qū)屬南亞熱帶典型的季風(fēng)海洋氣候.由于背山面海,海洋性氣候特別顯著,具有溫暖多雨,光熱充足,溫差較小,夏季長(zhǎng),霜期短等氣候特征.年平均氣溫21.4C21.8C,日平均氣溫都在0C以上.橋位區(qū)河流主要為東江北于流,東江發(fā)源于江西省尋鄔椏髻缽分水嶺至東莞石龍,全長(zhǎng)520km

5、,坡降0.388,石龍下游42km東江向平原區(qū)延伸,河支分復(fù)合明顯,形成網(wǎng)脈狀河道,將陸地分割成島狀或半島狀,路線經(jīng)過東江北于流寬約9001TI(堤間距),江心為白鶴洲島.根據(jù)廣東省航道局文件,經(jīng)歷史洪痕的調(diào)查和測(cè)記,東江橋地址常水位6.501TI(廣州城建標(biāo)高),歷史最高水位9.837n.由水文分析計(jì)算知:設(shè)計(jì)通航水位9.641TI,設(shè)計(jì)流量3872.741TI./s,設(shè)計(jì)河道平均斷面流速為1.077m/s.建橋后河流內(nèi)斷面流速,河床沖淤規(guī)律基本不變,主流位置基本穩(wěn)定,橋軸線法線方向與水流流向的夾角為4.橋址河城市遵橋與防洪第2期2003年3月段河勢(shì)基本穩(wěn)定,建橋后橋址上游最大壅水高度為0.

6、85m,對(duì)東江水道的影響很小可以忽略不計(jì).3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.I總體布置東江特大橋主航道處水面寬度約240m,根據(jù)廣州市航道局的航道要求,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的河床與地質(zhì)水文情況,東江特大橋主航道設(shè)計(jì)方案為獨(dú)塔單索面鋼箱梁與混凝土箱梁混合體系的斜拉橋,立面圖如圖1所示.采用單柱索塔,半扇形索面,塔墩固接,塔梁墩固結(jié)體系.橋跨布置為80m_t-160m兩跨不對(duì)稱結(jié)構(gòu),全橋總長(zhǎng)度為240m.主跨和邊跨橋面都在半徑為9500m的豎曲線上,橋面全寬32.0131.混合梁體系斜拉橋邊跨為50#混凝土的PC箱梁,伸入主跨6m,與主跨鋼箱梁通過連接段連接在一起.主跨鋼箱梁采用16錳橋鋼,長(zhǎng)度154m.邊跨不再設(shè)輔助墩.主跨跨

7、徑與邊跨跨徑之比為1:0.5;主跨跨長(zhǎng)與箱寬比為5.125:1.主梁高度為3.0m,主跨箱高跨比為1:53.5,箱寬高比為10.6:1,主梁縱向在兩個(gè)邊墩上設(shè)單向活動(dòng)盆式支座,中間塔梁墩固接在一起.主塔為單柱索塔,塔高95.58m(承臺(tái)頂面至塔頂)橋面以下塔柱高19.88m,橋面以上塔身高76m,其中錨索區(qū)高度為32.06m;塔高與主跨之比為0.475(相當(dāng)于雙塔斜拉橋的塔高與跨度之比為0.2375).中跨外索與主梁夾角26.,邊跨尾索與主梁夾角40.;索呈半扇形布置,鋼箱梁上索距l(xiāng)Om,PC箱梁上索距5m,塔上索距2.0r6.Om.主塔基礎(chǔ)為群樁帶承臺(tái)結(jié)構(gòu),即采用6根直徑2.5m的鉆孔灌注樁

8、與6m厚的承臺(tái)相連,岸上邊墩基礎(chǔ)采用2根直徑1.5m的鉆孔灌注樁和2.5m厚的承臺(tái)相連,水中邊墩基礎(chǔ)采用4根直徑1.5m的鉆孔灌注樁和2.5m厚的承臺(tái)相連.3.2主梁結(jié)構(gòu)3.2.1PC箱梁主梁斷面為單箱三室扁平流線型三角形箱梁.梁高為3.0m,頂面尺寸為2.0m-I-0.5m-I-12m-I-3m-I-12m-I-0.5m-I-2.Om一32m,底面尺寸為5m,標(biāo)準(zhǔn)截面形狀如圖2所示.圖2混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面每5m設(shè)一道橫隔梁;斜拉索錨固處設(shè)有橫隔板.在索塔處橫隔板將結(jié)合主塔下橫梁結(jié)構(gòu)作特殊設(shè)計(jì).箱梁中間室處頂板厚60cm,底板厚60cm,腹板厚50cm,箱梁兩個(gè)邊室,頂,底板厚30cm.在斷面

9、的中央斜拉索錨固區(qū)沿橋縱向作了一道反扣縱梁,和兩邊的防撞欄做到一起,寬度3m.PC箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力.縱向及橫向預(yù)應(yīng)力材料采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線及OVM或VIM錨固體系,豎向預(yù)應(yīng)力采用JIM一32精軋螺紋鋼筋.混凝土箱梁頂面設(shè)8cm改性瀝青混凝土鋪裝.3.2.2鋼箱梁鋼箱梁采用全焊結(jié)構(gòu),工廠分段制作,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)10.Om,重約150t,橫斷面形式與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橫斷面基本一致.鋼箱梁頂,底板,斜腹板采用U型加勁肋和腹板采用T型加勁肋組成正交異性板;標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁斷面為:底板厚度20mm,斜腹板厚度16mm,頂板厚度在行車道部分.,liI,r一f一,InIIJ劬鷥絲睪警一L一.土一-,?II,.,

10、.一,:1一,-,t厘0.:圖1東江主航道大橋立面圖一53一馨豇*_;藍(lán)醛眨酵睇醮聯(lián)睦睡酷醛隴鼯睡酲娃醛鬟醛娶囊堪市道橋與防洪第2期2003年3月用16mm,在人行道板部分用12mm,腹板厚度為16mm20mm.鋼箱梁橫隔板間距2m.每10m一道強(qiáng)加勁.橫隔板的形式為兩端實(shí)腹中間空心的形式.鋼箱梁U形加勁肋的間距為:頂,底板,板上都為600mm.鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖3.PC箱梁與箱梁的聯(lián)結(jié)結(jié)合位置選在距塔中心6m左右的位置,聯(lián)結(jié)段長(zhǎng)度3m.連接段填充混凝土采用50號(hào)鋼纖維混凝土,鋼纖維的摻量為120kg/m.,邊跨混凝土箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束通過連接段錨固.產(chǎn)IJ.LI藍(lán)溘l.IlI二Ill圖3鋼箱梁標(biāo)

11、準(zhǔn)斷面鋼梁除銹與涂裝:鋼梁的內(nèi)表面采用防腐油漆涂裝,鋼梁外表面采用電弧噴涂鋅,鋁外加防腐油漆.防腐年限為25年以上的使用壽命.最后一道面漆在吊裝后重漆.鋼梁與瀝青混凝土接觸部分在噴砂處理后,采用一道環(huán)氧樹脂防銹底漆,在進(jìn)行防水處理前,在澆筑瀝青混凝土前應(yīng)對(duì)該防銹底漆進(jìn)行拉毛處理.處理后加涂防水層,進(jìn)行瀝青混凝土的鋪裝.參考國內(nèi),外鋼橋面鋪裝使用SMA鋪裝層的資料,東江特大橋主航道鋼箱梁采用8cm雙層改性瀝青SMA鋪裝層.3.3索塔東江特大橋處于珠江支流東江主航道上,易受臺(tái)風(fēng)侵襲,風(fēng)環(huán)境比較嚴(yán)峻,要求索塔的剛度和抗風(fēng)能力強(qiáng).考慮獨(dú)塔單索面斜拉橋的整體剛度和穩(wěn)定性及抗風(fēng),抗震的要求,塔墩固接,塔梁

12、墩固結(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)受力和施工均較為有利.索塔從塔底到塔頂是變截面的,橫橋向截面尺寸保持不變,為3.0m,順橋向截面尺寸從根部的5.0m變到塔頂?shù)?.5m,使整個(gè)塔看起來很有氣勢(shì).遠(yuǎn)看象一把劍一樣直插云霄.索塔橋面以上的高度為76n1,索塔錨固區(qū)高度為32.06m,為實(shí)體斷面.塔墩為等截面的空心墩,橫橋向在水流方向設(shè)分水尖,有利于導(dǎo)流.為了減少風(fēng)力對(duì)塔身的影響,索塔迎風(fēng)面的凸出部分都做了圓弧倒角.在塔頂設(shè)10m避雷針和航空障礙標(biāo)志燈.3.4斜拉索斜拉索呈扇形分布,在鋼箱上的索距為10m,在PC梁上的索距為5m,斜拉索在塔頂一端為張拉端,在箱梁上的一端為固定端.斜拉索采用PES7熱擠聚乙烯拉索,PEsM

13、7冷鑄墩頭錨錨固體系.單根斜拉索設(shè)計(jì)最大索力7616kN.根據(jù)各索的設(shè)計(jì)索力并兼顧考慮全橋的整體剛度,全橋采用PES791到PES7337等8種規(guī)格的斜拉索.4結(jié)構(gòu)計(jì)算4.1靜力計(jì)算本橋采用有限元對(duì)80m+160m獨(dú)塔單索面斜拉橋進(jìn)行了平面分析和空間分析,同時(shí)進(jìn)行了施工模擬分析.平面分析采用的計(jì)算軟件是橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS(WINDOWS版)和微機(jī)橋梁結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)BRCAD;空間分析采用通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了仿真分析.平面分析主要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析,利用程序用內(nèi)力平衡法自動(dòng)調(diào)索,定出合理的索力為空間計(jì)算提供條件.計(jì)算表明:在最不利荷載組合情況下,主塔的最大壓應(yīng)力為11

14、.1MPa,最小壓應(yīng)力為0.1MPa.預(yù)應(yīng)力混凝土主梁中最大壓應(yīng)力為11.8MPa,最小壓應(yīng)力為0.2MPa.主梁跨中向上最大撓度為1.73cm,向下最大撓度為33.6cnl,變化幅度35.33cm,小于規(guī)范規(guī)定的主梁跨徑的1/i00.斜拉索最大索力7.616MN.4.2動(dòng)力計(jì)算空間動(dòng)力分析采用了兩種模型:空間桿系模型和空間板殼塊體混合模型.空間桿系分析計(jì)算模型采用魚骨梁來模擬,根據(jù)該橋?qū)嶋H布置,共劃分836個(gè)結(jié)點(diǎn).158.1個(gè)單元,其中,拉索采用索單元進(jìn)行模擬,橫梁間距按照實(shí)際情況簡(jiǎn)化,橫梁長(zhǎng)度則按照剛度,質(zhì)量與質(zhì)量慣矩進(jìn)行等效.空間桿系分析計(jì)算模型主要用于恒載效應(yīng),活載效應(yīng),動(dòng)力特性計(jì)算.

15、空間桿系模型如圖4所示.空間板殼塊體混合分析計(jì)算模型完全根據(jù)該橋?qū)嶋H布置進(jìn)行模擬,模型總共由9054個(gè)實(shí)體單元,9896個(gè)殼單元,26個(gè)索單元(索)組成,其中,梁體,承臺(tái)均采用板殼單元進(jìn)行模擬,橋墩,索城市譴蔚與防洪第2期2003年3月塔采用塊體單元進(jìn)行模擬.空間板殼塊體混合計(jì)算模型主要用于剪力滯,翹曲,畸變,約束扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的計(jì)算,與空間桿系計(jì)算結(jié)果比較,即可得箱梁應(yīng)力綜合放大系數(shù);同時(shí),空間板殼塊體混合模型還用于動(dòng)力特性計(jì)算,地震響應(yīng)計(jì)算,以與空間桿系模型計(jì)算結(jié)果相互校核.空間板殼塊體混合模型如圖5所示.圖4空間桿系分析計(jì)算模型示意圖幽5空同扳元塊體混合分析計(jì)算模型意圖空間桿系模型計(jì)算出成橋狀

16、態(tài)結(jié)構(gòu)體系的一,二階振型如圖6所示.空間板殼塊體混合模型計(jì)算出成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)體系的一,二階振型如圖7所示.計(jì)算表明,結(jié)構(gòu)體系一階振型以索塔橫彎為主,振動(dòng)周期為3.67S,二階振型以主梁反對(duì)稱豎彎為主,振動(dòng)周期為1.910S,對(duì)抗震有利.5施工方案(1)主墩和邊墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁施工工藝.(2)主墩和水中邊墩的承臺(tái)擬采用鋼圍堰施工.(3)在支架上現(xiàn)澆塔墩;邊跨架設(shè)臨時(shí)墩,搭設(shè)支架,采用一次性現(xiàn)澆邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,張拉邊跨所有的預(yù)應(yīng)力鋼束.(4)待邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,在梁面上架設(shè)高塔吊機(jī),分段澆筑塔身混凝土.塔身內(nèi)設(shè)置角鋼形成的勁性骨架,用于支撐塔身各節(jié)段鋼模板及確保澆筑該節(jié)段塔身混凝土?xí)r塔柱的穩(wěn)定性及塔身尺寸的準(zhǔn)確性.索塔一側(cè)設(shè),.|.一一_州嘎I一_i嗣:=r模態(tài)1(索塔橫彎)頻率0.27257雩一一一一一一._嘲