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番禺大桥设计.pdf

番禺大桥设计

依旧随风
2011-08-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《番禺大桥设计pdf》,可适用于高等教育领域

第卷第期年月华南理工大学学报自然科学版番禺大桥主跨斜拉桥设计梁立农马春生广东省公路勘察规划设计院广州摘要介绍一座己经竣工通车的超宽大跨径斜拉桥的设计概况,包括工程概述、总体设计、结构设计及计算和施工控制等内容该桥采用高钻石型主塔,超宽边主梁,其宽度列国内同类型桥第一位,列世界同类型桥第二位列世界跨径以上同类型桥第一位超宽边主梁的采用不仅方便了施工,而且取得了良好的经济效益,主梁每平方米建筑厚度为同类型桥梁最低在边主梁上配空间索增加了抗扭能力,提高了抗风性能,为国内首创关键词大跨度料拉桥设计中图资料分类号工程概述桥址概况番禺大桥位于洛溪大桥下游约处,是为缓解广州至番禺唯一一座大桥洛溪大桥交通经常严重堵塞的问题而兴建的一座超宽特大型桥梁该桥北与广州新建的南北向华南快速干道相连,南接迎宾路通番禺、深圳、珠海主桥跨越珠江处,江面宽约,其水流平缓,流速在一之间,平均潮差约,三百年一遇的设计水位黄基通航水位,通航水位时平均水深,最大水深,主河槽及主航道均严重偏向广州岸桥址区属南亚热带季风气候,为华南沿海台风区,每年一月为台风季节,由广东省气象局提供百年一遇高处平均风速。,换算成高处的基本风速为已计地形地理条件系数该区最高气温℃,最低气温一℃月份平均最高气温℃,月份平均气温℃,年平均气温℃桥位区域的岩层稳定,新鲜基岩上部覆盖有不同风化程度的凝灰质粉砂岩及泥岩约一,其单轴极限抗压强度离散性较大,在一间变化,为软质或极软质岩石王要技术标准主线线型标准平原微丘区一级公路桥面布置车道,车行道宽巧,中央分隔带,边防撞栏只,斜拉索锚固区、,桥面总宽设计车速收稿日期一一梁立农,男,年生,高工,硕士主要研究方向大跨度结构©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet第期梁立农等番禺大桥主跨斜拉桥设计设计荷载汽车一超级挂车一人群衬通航标准通航净宽,净高防撞标准主航道按级船舶考虑设计基本风速耐地震基本烈度度总体设计桥位选择番禺大桥是连接广州市华南大道与番禺市迎宾路的一座特大型连络桥,广州市华南大道的走向已规划定型,番禺市迎宾路已建成使用,因此番禺大桥的桥位即限制在洛溪大桥下游一范围内此范围内有个桥位可供选择,桥位一是利用距离洛溪大桥约的迎宾路沙溪大桥,由沙溪大桥径直往北跨越珠江,桥长,主跨,此桥位江面宽约,且江上靠番禺岸有一块的锚地,需跨越或拆迁,南岸有高新技术的南辉高速船舶厂及诸多民房需拆迁,北岸广州的引桥走向亦受到严重制约,同时,四车道,汽一级荷载标准的沙溪大桥需要加固和拓宽,此桥位引道线型差,拆迁量大,造价高,在经济上、技术上的不利之处是显而易见的桥位二距洛溪大桥约,桥长,主跨,江面宽,无需拆迁,且北上直通华南大道,无需多余连接线,虽然桥长增加一些,但主跨跨径大大减少,总体造价较桥位一低,因而最终确定了桥位二桥型方案比选在工程可行性研究报告中对桥位二作了主跨独塔单索面斜拉桥、主跨犯双塔单索面斜拉桥、主跨双塔单索面及双索面斜拉桥等多种桥型方案比选,在初步设计中对这些方案进行了进一步的综合比较由于主跨双塔斜拉桥,仅在浅水区布置一个主墩及一个辅墩,它既跨越了主航道,又跨越了进入上游锚地设置的副航道,还避开了主河槽深水基础,避免了修建大型的主墩防撞岛,有利于减小施工难度,提高施工及航行过程的安全性,节约工期和减少造价,因此该方案应当是适合地形地理条件、技术先进、经济合理的优选方案主桥总体布置主桥主跨,两个边跨均为,对称布置,主桥长,在两个边跨内各设辅墩一个,将边跨分为十,使边跨与中跨跨径之比由减少到,以提高整桥的刚度,并大大地减少边墩负反力和塔梁弯矩,以及降低中跨跨中挠度以符合规范要求同时提高了施工中的抗风安全性,虽增加个辅墩,但对改善车道斜拉桥的结构受力性能是非常显著的和必要的本桥为五跨连续斜拉桥,布置成塔梁分离的漂浮体系,以减小温度、收缩、徐变以及地震的荷载效应在塔梁交汇处设一垂直柔性吊杆以减少主梁负弯矩为防止地震惯力及强风作用下,主梁及塔顶产生过大的纵向漂移,在主墩和边墩及辅墩的纵横两个方向均设置带缓冲橡胶的限位挡块主桥桥型布置如图所示©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet华南理工大学学报第卷立而设计通航宽度卜一畏多门护护川川人片山川,汾嘴川尹小小一。。,、一一一蘸瓢酬酬酬氟氟酬酬酬过过过目司司司告妇肋益益益益吸通航水位一坦口勿’它’作一侧拭︸︸一夕一脚终镖翅图主桥桥型布置图单位高程刀结构设计主墩基础、主墩均采用根钻孔灌注桩基础,按嵌岩桩设计桩身面积受桩的混凝土强度控制,难以采用变截面桩以达到节约材料的目的,而预应力空心桩必须加大桩径而引起承台尺寸的加大,而且其施工工艺难度增加,钻机设备和起吊设备亦需有较大投入,因而最终采用了常规的等截面实心桩桩身在长期荷载作用下结构强度按应力。镇控制混凝土标号,这一取值是参考了多个国家规范并考虑到水下混凝土与大气中浇筑的混凝土的质量差异以及实际施工质量而决定的桩身配筋受弯矩控制,最大配筋率为承台厚度,墩水中承台设置了外缘带缓冲橡胶的宽防撞托盘以防级船舶直接撞击塔根,而桩基础则可以承受由托盘传来的船舶撞击力这一防撞设计节约了大型的防撞岛构件,降低了造价,同时对于布置在离主航道较远而又处于较浅水域的主墩来说其受船的撞击概率以及撞击能量都受到较大制约,这一防撞构思是安全的主墩由于主航道紧靠北岸,故须布置到岸上,并让其承台离开河堤一个安全距离,以确保基础开挖时大堤的防洪安全主塔主塔采用钻石型钢筋混凝土框架结构,下塔柱以的斜度向内拐,以减小主墩横桥向基础宽度,节约工程量,中塔柱以斜度在塔冠拉索区合二为一,形成空间双索面拉索体系,以补偿和提高开口边主梁的抗扭刚度在施工和造价上与型桥塔相比,少了上横梁和约一个上塔柱混凝土数量,且塔冠部分的塔吊及施工电梯的附着均很方便并大大节约附着材料中塔柱斜度较大,但采用成熟的爬模施工工艺也很方便,虽多了几道横撑,但由于上部的撑杆短而从总体而言并不增加多少材料,而增加的施工材料也完全可从塔冠节约了施工©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet第期梁立农等番禺大桥主跨斜拉桥设计材料而得到补偿而且钻石型桥塔在宽阔的江面上高耸挺拔,塔冠直冲云霄,引人入胜,雄伟壮观,更具有生动感塔柱为空心断面,四角设置倒角以减小空气阻力并减小纵横两向的应力迭加效应,主塔高度,桥面以上高度,高跨比,靠近常规值下塔柱横向尺寸一,纵向尺寸一,臂厚中塔柱为等截面,横向尺寸,纵向尺寸,臂厚一,横梁高度,宽度,臂厚,在横梁内布置了预应力以抵抗中塔柱传来的巨大水平拉力,以及平衡横梁自重在其下缘产生的拉应力塔冠外型尺寸,臂厚·一·,为抵抗斜拉索水平分力在截面上产生的剪力,将塔冠设计成单箱双室截面,这样也有利于塔冠与中塔柱间力的传递由于塔冠截面积为其受压强度控制,因而双室截面并未增加混凝土数量为平衡斜拉索水平分力在塔冠内设置了大吨位水平环向预应力,并进行了足尺模型试验最大单束吨位达索塔构造见图世妾西土匕半侧而半一”荔名吕吕吕昌昌昌昌黔黔翼翼昌昌昌间一塑。四式式,’一飞飞叮匆心心、、抽一,一一一弋弋日日护‘唱唱引引引哪哪娜娜娜兰兰兰、曰曰曰子子租租卜酬礼跳冲卜卜日片日厂闷院土图索塔构造图单位主梁在材料上对混凝土主梁和结合式主梁进行了对比研究在本桥主跨条件下,无论在造价上,还是在维护上,或者在刚度上,混凝土主梁均明显优于结合梁因此主梁采用了构造简单、施工方便快捷的混凝土边主梁开口断面,在横桥向,桥面较宽,横梁受力比较突出,是采用有特色的结合式横梁经济还是采用常规的构件经济,对此也进行了深入研究©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet华南理工大学学报第卷比较由于结合式横梁相对于横梁所增加的造价较高,超过了采用结合式横梁而节约的斜拉索费用,故此废弃了结合式横梁方案,但随着工业水平的发展,在断面混凝土主梁中采用结合式横梁具有潜在竞争力主梁边肋处梁高,与引桥梁一致,有整齐划一的效果,梁宽,扁平度宽厚比二,跨高比二,跨宽比,为理想的扁平截面,对抗风十分有利为导流需要亦是布置空间索的需要,主梁边缘设置风嘴为适应轴力的变化并尽量节约材料,边肋底宽由跨中变至塔中心处,桥面板,横梁设置一道,厚度,为构件主梁在边墩上设置了现浇块,采用支架现浇,先制成空腔结构,再用填料作配重,引桥挂梁亦作为压重作用在尾段上主梁按部分预应力类构件设计,纵向预应力按受力大小分段配设主梁断面如图、图所示了点标高汗乖齐鬼之一一一一一一一一一一上一一一牛牛牛图主梁断面图单位图主梁塔根断面预应力布置单位之扣斜拉索斜拉索按空间双索面布置,全桥共根拉索,塔上标准索距为,梁上标准索距,边跨尾段索距加密至拉索采用必镀锌高强钢丝,钢丝数在一之间变化,并按小角度扭绞成型,外面热挤两层防护材料,里黑外白,外面白色层可以降低温度效应并增加美感锚具采用抗疲劳性能优异的冷铸嫩头锚,为方便施工定位,以及主梁的美观,主塔和主梁的斜拉索锚箱均布置成内凹式槽口,内凹槽口用钢锚箱作局部加强并提供与牵索挂篮的联接途径斜拉索在塔和主梁的出口处均设置了高阻尼橡胶减震器主要施工方案斜拉桥的设计同施工是紧密相连的,必须先确定施工方法才能进行计算和施工图设计主塔可采用常规的爬模施工工艺,下塔柱外倾应设置三道预应力拉杆以平衡外倾力,同时还·应平衡浇筑横梁时作用到下塔柱的外倾力,每道拉杆张拉一,中塔柱内倾,应设置七道预应力撑杆以平衡内倾力,每道预应力撑杆预顶,中塔柱撑杆可结合塔吊及电梯附着©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet第期梁立农等番禺大桥主跨斜拉桥设计适当调紧间隔中横梁按二次浇筑,下半部分形成强度初期应注意支架的温差效应,以免早期开裂主梁除长块及边跨尾段实心块采用支架现浇外,其余均采用牵索挂篮悬浇施工,采用这一施工工艺对于降低超宽断面的悬臂施工荷载,减少主梁预应力的配置,改善施工挂篮的受力状况,加快施工速度都是非常重要的每个节段长,合拢段长度在每个节段的施工中对当前梁段的斜拉索采用多次张拉方法,并按钩反力、挂篮强度控制张拉次数斜拉索布置成空间双索面,需作牵索的一索纵向角度在一’间变化,变化范围,横向角度在。一。间变化,变化范围牵索与挂篮的连接构件必须适应这两个方向角度的变化,满足这一功能的连接构件可有多种构思,如悉尼格莱贝岛斜拉桥空间牵索挂篮,挂篮长,宽,重,每次浇筑两个主梁节段,长断面,其连接方式采用类似汽车万向节的所谓卫星连接构件而本桥施工单位采用的锚箱能同时传递竖向力和水平力并适应两个方向角度的变化这一连接构件也是非常成功的斜拉桥在悬臂施工过程中边中跨间会产生不平衡水平力,悬臂两端的不平衡施工荷载以及风载会在塔梁交汇处产生三个方向的力及力矩为了确保施工中主梁的稳定安全必须设置塔梁临时固结构造本桥的横桥向、水平向临时固结构造非常巧妙地利用了中塔柱的两个倒角以及主梁的风嘴斜面,采用小小的几个楔块即有效地限制了几个方向的运动竖向采用常规的短柱支承即可,三向简单的临时固结体系经过实践证实是非常成功和可靠的结构分析计算静力分析静力分析计算了恒载、活载、混凝土收缩徐变、预加力、各种温度变化、风载、汽车制动力、支点沉降、船撞力以及施工荷载等内容计算中考虑了拉索的非线性以及梁塔中轴力对变形的二次力效应,索力初值按最小能量法确定,并根据施工程序进行进一步优化调整活一载计算考虑了汽车、挂车、人群、汽车冲击力四种活载,多列汽车折减及布载长度折减按现行规范执行,并考虑偏载影响结构体系温度按士℃,上下缘温差按士℃,塔左右侧温差按士℃,索与梁塔温差按土℃考虑,支点不均匀下沉按考虑风载计算中参考了日本的本四联络桥抗风设计基准》年及英国标准学会规范在运营态考虑了换索需要,计算了更换任一根斜拉索而转换体系后的各构件恒载、活载包络图由于本桥桥面超宽,必须考虑荷载的空间效应,空间计算采用线性程序,将主梁离散成梁格,主塔框架离散成梁单元,拉索离散成杆单元,计入地基弹性约束单元,计入纵横向预应力等效荷载,对恒载初始索力进行校核调整,并进行逐阶段的空间施工分析,确定了横梁预应力束的张拉顺序,为先拉束,另一束滞后节段张拉,以确保施工阶段边肋不积累初始扭矩斜拉索的水平分力以及边肋内预应力死锚水平力按’扩散,主梁中纵向弯矩考虑剪力滞效应主梁内最终的应力是整体的空间分布应力和局部的应力迭加,这一繁杂的应力组合计算是采用自编程序进行的对于风荷载,地震荷载效应亦可利用此模型进行分析边跨主梁实心尾段由于其刚度较大,还需经过多次体系转换,因而对该构件又进行了细分的梁格有限元分析,以便通过施工程序调整使实际的空间内力与平面模式计算的内力接近此外还对主塔横©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet华南理工大学学报第卷梁与塔柱交汇节点作了局部有限元分析对主塔、主梁亦作了稳定分析动力分析动力分析必须作空间分析,可将主梁等效成三主梁模型,并计入广义等效质量,先作施工最长悬臂态及成桥态的模态分析,按分离扭转颤振理论求得施工态失速颤振临界风速为,成桥态失速颤振临界风速为,两者均大于主梁设计风速的倍,说明本桥在施工态、成桥态的空气动力稳定性是良好的完成成桥态模态分析以后,则可接照一公路工程抗震设计规范,采用反应谱理论,按主桥地基类场地土选用谱曲线,计入重要性修正系数二,综合影响系数,水平地震系数,用线性求解纵桥向、横桥向、竖向地震反应,并作为偶然荷载进行内力、位移组合由于本桥采用飘浮体系以减小温度及收缩徐变效应,虽由地基传入的地震通过柔性斜拉索能得到有效缓冲隔震作用,但主梁的地震力传到塔顶将使主塔产生过大弯矩并使主梁过量纵飘,因此为控制主塔的过量弯矩和主梁的过量纵飘位移,在辅墩、边墩、主墩上对主梁设置纵飘限位装置,使得主梁在温度及收缩徐变时可以自由伸缩,在地震时纵飘可以有效控制,使得主塔地震效应并不控制设计本桥的限位构造正是按照这一构思进行设计的施工监控施工程序决定成桥态恒载内力,施工索力及预高值通过反复正装与倒拆后确定,施工分析计算中必须逐阶段检查各断面的强度及应力是否符合规范要求,如不满足则应修改施工程序和施工索力或修改配筋甚至修改截面尺寸,直至满足施工阶段对主塔及主梁均进行了应力监测索力最大误差按控制为了减少施工控制难度,方便施工,对每一根斜拉索张拉至设计索力后不再重复张拉为减少日照温差对主梁挠度和施工张拉索力的影响,确定清晨日出之前进行测量和张拉,并采用节段两端设计高差对立模标高进行核查实际施工中由于比重、弹性模量、收缩徐变系数、施工荷载等参数与设计中的取值不可能一致,因此实际的节点挠度和索力变化值与设计必定有出入如果经过参数识别和强度及应力分析确认这种出入是可以接受的,则按原设计方案继续施工下去,如果这种出入发展下去使强度和应力及挠度无法满足规范要求,则应根据识别后的参数重新确定立模标高及施工索力对立模标高的调整幅度应以保证桥面光滑为原则实践证明以上的施工监控措施是切实可行的番禺大桥设计特点斜拉桥桥面宽度达到,其宽度列国内同类型桥第一位,列世界同类型桥第二位,列世界跨径以上同类型桥第一位解决了超宽边主梁空间双索面斜拉桥的一系列设计计算理论问题,如边肋在施工及使用中的扭转函数问题,薄横隔梁在压、弯、扭、剪状态下的稳定问题,梁超宽翼缘的剪力滞、轴力滞问题,主梁大体积尾段的体系转换问题,并对主梁七个断面进行了施工应力跟踪测试的大斜度下塔柱及的大斜度中塔柱在目前斜拉桥塔柱中是斜度最大的,©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet第期梁立农等番禺大桥主跨斜拉桥设计它有利于减少基础宽度,减少塔的工程数量,使塔和空间曲面拉索更富有空间层次感、立体感,但也增大了设计的难度,我们确定了塔柱合理的设计内力和施工方案,分析和计算出拉杆和撑杆的位置及预拉力和预顶力的大小,并进行了有关节点的有限元分析,对主塔四个断面进行了施工应力跟踪测试,从而解决了大斜度塔柱的设计和施工控制问题在国内大跨度超宽边主梁上第一次采用空间双索面悬挂体系,大大地提高了其桥面体系的抗扭刚度,提高了边主梁断面在强风地区的抗风性能在超宽斜拉桥上采用边主梁断面,使主要的受压面积和质量集中于受斜拉索弹性支承的两个边肋,既有利于承受斜拉索的水平分力,又大大地减轻了横梁的恒载,节约了造价,同时边主梁采用牵索挂篮对施工是极为有利的在塔冠斜拉索锚固区段采用大吨位环形预应力群锚体系并通过了试验,它有利于预应力的布置和简化施工,最大单束吨位达到广泛采用部分预应力技术,既节约了材料,又提高了结构的延性,有利于抗震和节约造价采用平面和空间分析程序进行了施工分析,在施工中对斜拉索采用一次张拉技术和用伸长量进行调索及用高差立模来减小温度的影响等方法来进行施工控制,取得了成功,目前已经完成的斜拉桥线形平滑,没有出现施工控制问题在技术先进、经济合理的前提下,努力探索桥梁美术和环境和谐统一的设计方案,使番禺大桥线形简洁、顺畅,布局合理,体量及比例均衡,造型新颖且富有变化采用计算机辅助设计技术,编制了大量的自动设计程序,提高了复杂的空间双索面斜拉桥设计准确度和效率,优化了结构设计,取得了良好的经济效益表列出番禺大桥主跨斜拉桥有关经济技术指标表近年来国内主要混凝土斜拉桥经济技术指标一览表一侮平米桥面材料用量桥名桥跨组合桥面宽度主梁主塔混凝土预应力钢材普通钢筋混凝土预应力钢材普通钢筋八石门大桥桐陵大桥湘江大桥武汉长江大桥番禺大桥由表可知,番禺大桥的经济技术指标在同类桥中处于领先水平参考文献李国豪主编桥梁结构稳定与振动北京中国铁道出版社,吉姆辛·尼尔斯丁缆索承重桥梁构思与设计姚林森,林长川译北京人民交通出版社,铁道部大桥工程局桥梁科学研究所编斜拉桥北京科学技术出版社,林元培斜拉桥北京人民交通出版社,严国敏国内斜拉桥资料汇编武汉铁路桥梁工程科技情报中心,©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet华南理工大学学报第卷’人血地,郎吧一一乌叶,罗,,卜眼一一一一©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet

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