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白洋长江公路大桥主桥设计

添加时间:2019-03-08 10:44 来源:桥梁建设 作者:舒江 刘琪 彭元诚
  摘要:白洋长江公路大桥主桥为主跨1 000m的双塔单跨钢桁梁悬索桥, 北岸边缆跨度276m, 南岸边缆跨度269m。该桥采用塔连杆+柔性中央扣支承体系, 通过塔连杆的转动满足加劲梁纵向位移与转动要求。桥塔采用混凝土门形结构, 北塔高142.5m, 南塔高151m, 基础为分离式承台+群桩基础。钢桁梁全宽36.7m, 高7.5m, 采用2片主桁, 华伦式桁架, 主桁与桥面系分离, 桥面系采用钢-混组合桥面系。充分利用长江优质航道资源及桥下水深条件好的优势, 钢桁梁采用30m大节段吊装。主缆采用1 860MPa锌铝合金镀层高强钢丝, 吊索采用1 960MPa镀锌钢丝绳。主索鞍、散索鞍鞍体采用铸焊结合结构。主缆采用型钢锚固系统, 白洋侧锚碇采用重力式嵌岩锚, 宜都侧锚碇位于富水巨厚卵石层中, 国内首次采用浅埋扩大基础。
 
  关键词:悬索桥; 钢桁梁; 塔连杆; 柔性中央扣; 富水巨厚卵石; 浅埋扩大基础; 锚碇; 大节段吊装;
 
 
  1 工程概况
 
  白洋长江公路大桥是国家高速公路网纵线G59呼北高速宜昌至张家界高速公路段跨越长江的控制性工程。桥址位于长江中游宜枝河段下游的白洋水道, 北接枝江市白洋镇, 南接宜都市陆城镇。桥址区域属北亚热带季风性湿润气候, 多年平均气温16.8℃。最大风速25.6m/s。桥位处常水位江面宽约900m, 断面主槽靠左, 左岸较陡, 河道呈冲淤交替状态, 冲刷幅度较大, 右岸较平缓。工程河段断面边坡基本稳定, 历年岸线变化不大。受沿程宜都、枝城等基岩节点控制, 河势长期以来比较稳定, 深泓平面位置变化不大。
 
  桥址区地质覆盖层主要为第三系海相砂岩、黏土岩, 第四系主要呈带状分布于长江流域Ⅰ、Ⅱ级阶地和河流、沟谷和山间洼地, 属冲积成因形成。上部土层主要为第四系粉质黏土、粉质黏土混卵石、粉细砂、中粗砂混卵石、卵石组成, 下部土层由第三系半成岩状态的泥质砂岩、细砂岩、砂质泥岩组成。强至中风化岩岩性多变且岩面起伏大, 多为泥质砂岩、细砂岩、砂质泥岩互层状, 岩体软硬分布不均, 总体均匀性较差, 有软弱夹层 (带) 分布, 宜都岸覆盖层多在40~65m不等。
 
  2 技术标准
 
  (1) 公路等级:双向6车道高速公路, 标准桥面宽度33.5m (不含索区) 。
 
  (2) 设计速度:100km/h。
 
  (3) 设计荷载:公路-Ⅰ级。
 
  (4) 通航标准:内河Ⅰ- (2) 级航道, 单孔双向通航, 最小净空尺寸841m×18m;最高通航水位50.18m (1985国家高程) , 最低通航水位35.53m。
 
  (5) 抗震等级:地震动峰值加速度0.05g, 反应谱特征周期0.35s。桥址区地震基本烈度为Ⅵ度, 按Ⅶ度设防。
 
  3 结构设计
 
  3.1 桥型总体布置
 
  综合地形地质条件、河道航道条件、施工条件、全寿命周期成本等因素, 该桥主桥最终选用主跨1 000m的双塔单跨钢桁梁悬索桥, 组合梁桥面系。主缆矢跨比1/9, 北岸边缆跨度276m, 南岸边缆跨度269m。南岸跨堤引桥采用 (37+67.5+37) m预应力混凝土连续刚构, 其余引桥采用30m预制连续T梁, 大桥全长2 210.65m。白洋长江公路大桥主桥桥型布置见图1。
 
  3.2 结构支承体系
 
  主桥结构支承体系为:桥塔与加劲梁通过塔连杆连接;加劲梁与桥塔间设置横向抗风支座[1,2]。主缆跨中设置中央短斜索 (中央扣[3]) 形成缆梁固结。
 
  该桥取消了梁端竖向支座, 采用摆轴式塔连杆支承体系, 通过塔连杆的转动满足加劲梁纵向位移与转动要求, 全寿命周期无需更换大型支座;主跨跨中设置3对中央扣以适度控制主桁的纵向变位, 同时可降低跨中短吊索的疲劳应力幅。
 
  3.3 桥塔
 
  两岸桥塔均位于岸上, 北塔置于一临水小山丘上, 南塔置于一装卸公司货场内。塔区地质条件相对简单, 北塔基础基岩裸露, 由上至下依次为强、中风化砂质泥岩, 细砂岩, 砂质泥岩互层;南塔基础覆盖层较厚, 主要为卵石层, 厚度达43m, 下伏基岩依次为强、中风化砂质泥岩, 细砂岩, 砂质泥岩互层。
 
  桥塔采用牌楼造型门形框架结构, 由塔柱、上横梁和下横梁组成 (图2) 。北塔高142.5m, 南塔高151m。塔柱采用钢筋混凝土单箱单室箱形断面。由塔顶至塔底, 横桥向尺寸5.5 m, 顺桥向尺寸由7.62m变化至10.43m (北塔) /10.6m (南塔) 。上塔柱壁厚1.2m, 下塔柱壁厚1.5m。上、下横梁均采用单箱单室截面。横梁两端靠塔柱外侧各悬挑2m, 兼顾景观效果与预应力锚固需要。上横梁尺寸7m×7m, 壁厚0.9m;下横梁尺寸8m×7m, 壁厚1.0m。下横梁上设置三柱拱门形引桥支墩。
 
  图1 白洋长江公路大桥主桥桥型布置

 
  图2 桥塔一般构造

 
  桥塔基础采用分离式承台+大直径群桩, 单个承台下设12根直径3.0m的钻孔灌注桩。
 
  3.4 加劲梁
 
  加劲钢桁梁采用主桁与桥面系分离体系, 桥面系采用钢—混组合桥面系。加劲梁标准横断面见图3。
 
  3.4.1 主桁
 
  钢桁加劲梁由2片主桁架、横向桁架及上、下平联组成。主桁全宽36.7m, 高7.5m, 标准节间长7.5m, 2个节间 (15m) 设一吊点。桥位处长江河道宽度达900m, 平均水深约25m, 设计过程充分利用长江优质航道资源及桥下水深条件好的优势, 采用大节段吊装, 将4个节间 (30m) 作为一节段, 连带桥面系钢纵梁整体吊装, 吊重约400t。与传统悬索桥钢桁梁单大节间 (15m) 吊装方案[4]相比, 可显著缩短工期, 减少桥面系施工高空作业量。全桥钢桁梁共分为35个节段。
 
  图3 加劲梁标准横断面

 
  主桁架及横向桁架均采用焊接整体节点结构形式。主桁采用华伦式桁架, 由上弦杆、下弦杆及腹杆组成, 上、下弦杆均采用箱形截面, 内高660mm、内宽660mm、板厚20mm, 主桁腹杆均采用工字形截面;横向桁架由横梁上弦杆、下弦杆及腹杆组成, 上弦杆采用变高箱形截面, 端部与主桁上弦杆等高, 以2%的横坡变高至中部, 内高765.2~1 082.8mm、内宽400mm、板厚20mm, 下弦杆采用箱形截面, 内高400mm、内宽400mm、板厚20mm, 横梁腹杆均采用工字形截面。
 
  从简化平联受力状态和节点构造的角度出发, 平联设计选用K形撑, 在端部及跨中适当加密, 平联杆件均采用箱形截面, 内宽340 mm、内高400mm、板厚12mm。
 
  3.4.2 桥面系
 
  桥面系全宽33.5m, 选用耐久性好的钢-混凝土组合梁, 行车舒适性好的同时避免了钢桥面疲劳开裂与钢桥面铺装寿命难达预期的风险。
 
  组合梁支承于主桁横向桁架上弦杆上, 单跨跨度与主桁节间相同。主桥桥面系纵向结构连续, 全桥共分7联。
 
  组合梁钢纵梁采用工字形截面, 梁高660mm、腹板厚12mm, 上翼板宽400mm、厚12mm, 下翼板宽400m、厚14mm。纵向相邻钢纵梁通过高强螺栓拼接形成连续结构。桥面全宽范围共17道钢纵梁。
 
  组合梁钢筋混凝土桥面板采用C50混凝土, 分块预制, 预制板厚0.18m, 端部加腋处加厚至0.21m。桥面板吊装就位后, 钢梁和钢筋混凝土桥面板通过纵向湿接缝处的栓钉剪力键形成组合梁。
 
  3.5 缆索系统
 
  3.5.1 主缆
 
  主缆矢跨比1/9, 横向中心距36m。为使锚室与主线引桥不发生冲突, 散索点向桥梁中线外侧平移4.5m, 理论散索点横向间距45m, 散索点到桥塔中心面的距离白洋侧为276m、宜都侧为269m。
 
  主缆采用预制平行钢丝束股法 (PPWS) 形成, 钢丝标准抗拉强度1 860MPa。每根主缆由169根索股组成, 每根索股由127丝直径5.2mm的锌-铝合金镀层高强钢丝组成。防腐采用圆形钢丝+缠包带+主缆除湿系统。
 
  3.5.2 吊索
 
  吊索与索夹为骑跨式连接, 与钢加劲梁为销接式连接。吊点标准间距为15m, 桥塔中心线至近吊点间距为20m。每一吊点均设置2对吊索, 边吊索采用82mm镀锌钢丝绳, 其余吊索采用76 mm镀锌钢丝绳, 钢丝公称抗拉强度为1 960MPa, 结构形式为8×55SWS+IWR。吊索一般构造见图4。
 
  图4 吊索一般构造

 
  吊索与主桁连接采用叉耳式连接, 横风作用下易造成疲劳破坏, 该桥在吊索与桥面连接处采用关节轴承构造 (图5) , 可适应横风作用下吊索横向转动, 释放了吊索与桥面连接处的横风荷载, 提高了悬索桥吊索的耐久性。
 
  3.5.3 索鞍
 
  主索鞍鞍体采用铸焊结合结构, 鞍头用铸钢铸造, 鞍身由钢板焊成。鞍体下设不锈钢板-聚四氟乙烯板滑动副, 以适应施工中相对移动。为减轻吊装运输重量, 将鞍体分成两半, 吊至塔顶后用高强度螺栓拼接。
 
  散索鞍为摆轴式结构, 采用铸焊结合的形式, 鞍槽用铸钢铸造, 鞍身由钢板焊成。摆轴式转动装置由上、下承力板和销组成, 以适应施工过程中及运营后鞍座角度的调整。索鞍一般构造见图6。
 
  图5 吊索关节轴承一般构造

 
  3.6 锚碇、锚固系统
 
  白洋岸锚碇处地势较高, 覆盖层为粉质黏土、粉细砂、强风化泥质砂岩, 层厚25m左右, 下伏基岩为中风泥质砂岩、细砂岩, 含水量小。白洋岸锚碇采用重力式嵌岩锚, 依靠锚碇基底的摩阻力和锚碇基础前端对基岩的承压来平衡主缆水平力。白洋岸锚碇平面尺寸62.5m×67.2m, 基础持力层为中风化泥质砂岩, 放坡开挖, 最大开挖深度48.0m。
 
  宜都岸锚碇处地势平坦, 锚碇边缘距离长江大堤仅170m。覆盖层上部为粉质黏土, 平均厚度4.5m, 中下部为砂卵石, 平均层厚约47m, 下伏基岩为强风化泥质砂岩。上覆黏土层及下伏泥质砂岩层透水性弱, 而卵石层与长江连通, 透水性强, 地下水受到上、下相对隔水层的阻隔, 雨季长江水位高于堤内地面时成为孔隙承压水, 枯季水位下降成为孔隙潜水。国内类似水文地质条件下悬索桥锚碇多采用地下连续墙基础或沉井基础[5,6,7,8,9,10], 2种基础基坑围护措施工程规模大、施工风险高、经济性较差。该桥锚碇基础设计过程中充分利用卵石层摩阻系数大、后期压缩量小、枯水期长江水位低的特点, 国内首次在富水巨厚卵石地层上采用浅埋基础锚碇, 基础平面尺寸101m×71.5m, 开挖深度仅8.0m, 基底进入卵石层约3m, 高于枯水期地下水位, 基坑开挖过程不涉水。浅埋扩大基础方案回避了富水卵石层中大范围深基坑开挖的风险, 采用明挖浅基坑方案, 1个枯水期即可完成基础施工, 该方案较沉井或地下连续墙方案在施工安全性、便利性及工期等方面具有明显优势。浅埋扩大基础方案锚碇总造价仅1.33亿元, 相比沉井 (2.51亿元) 、地下连续墙 (2.65亿元) 方案经济优势显著。锚碇一般构造见图7。
 
  图6 索鞍一般构造Fig.6 General Structure of Cable Saddle

 
  图7 锚碇一般构造Fig.7 General Structure of Anchorage

 
  主缆采用型钢锚固系统, 索股拉力通过锚杆传递到后锚梁, 再通过后锚梁承压面传递至锚碇混凝土。锚杆与后锚梁间采用高强度螺栓连接。单个锚室布置锚杆103根, 其中单束锚杆37根, 双束锚杆66根。
 
  4 结语
 
  白洋长江公路大桥设计过程中充分结合桥区地形地貌、水文地质特点, 采取了多项创新设计:国内首次在富水巨厚卵石地区采用浅埋扩大基础锚碇方案, 有效降低了施工难度, 节约了工程造价。加劲梁采用塔连杆+柔性中央扣支承体系, 通过塔连杆的转动满足加劲梁纵向位移与转动要求, 全寿命周期避免了大型支座更换;中央扣有效适度控制主桁的纵向变位, 同时结合短吊索横向抗疲劳关节轴承构造, 有效提高了跨中短吊索的使用性能。钢桁加劲梁采用30m大节段吊装, 充分利用长江优质航道资源, 将加劲梁与桥面系纵横梁安装就位后整体运输起吊, 与传统钢桁梁单大节间吊装方案相比, 可显著缩短工期。该桥于2016年10月开工建设, 预计2019年10月建成通车。
 
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