金安大橋主橋總體設(shè)計(jì)

金安大橋主橋總體設(shè)計(jì)

1工程總結(jié)1.1橋位區(qū)氣候特點(diǎn)華平麗江高速公路g4216自華平縣榮將市出發(fā)，經(jīng)麗江華平、永勝、古城、玉帶、龍玉區(qū)、拉市鄉(xiāng)，全長150.909公里。金安金沙江大橋橋梁跨越處為深切河谷的構(gòu)造侵蝕地貌，河面寬約400m，橋面距水面約336m。兩岸地形均呈上緩下陡的凹型坡：華坪岸地形坡度為10°～50°，錨碇附近坡度為10°～20°，主塔附近坡度為35°～55°；麗江岸地形坡度為10°～70°，錨碇附近坡度為10°～20°，主塔附近坡度為35°～55°。兩岸均有多級(jí)緩坡平臺(tái)及陡崖交錯(cuò)發(fā)育，陡崖上玄武巖出露，緩坡上普遍發(fā)育較厚（5～35m不等）崩塌堆積而成的粉質(zhì)黏土、碎石土、碎塊石等土層。橋位區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候，光照充足，氣候干熱，全年無霜，為干熱河谷區(qū)。在水平和垂直方向上差異很大，立體氣候明顯。冬半年主要受青藏高原南支西風(fēng)環(huán)流的影響，天氣晴朗干燥，降雨少。夏半年西南暖濕氣團(tuán)加強(qiáng)，沿河谷溯源入侵，形成降雨，汛期雨量多，強(qiáng)度大。多年平均年降雨量為1078mm，平均蒸發(fā)量為2200mm。月極端最高氣溫為24.3℃～35.9℃，月極端最低氣溫為-6.2℃～15.6℃，各月平均溫度為12.4℃～24.6℃。1.2交通荷載等級(jí)(1）道路等級(jí)：雙向四車道高速公路。(2）計(jì)算行車速度：80km/h。(3）車輛荷載等級(jí)：公路—Ⅰ級(jí)。(4）路基寬度：主橋23.0m。(5）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速：27.2m/s。(6）地震動(dòng)基本參數(shù)：主橋0.201g(950年重現(xiàn)期）、0.260g(2450年重現(xiàn)期）。2橋梁設(shè)計(jì)2.1主要控制因素大橋建設(shè)環(huán)境及項(xiàng)目工程的特點(diǎn)為：（1）地處云貴高原西北緣，紫外線照射強(qiáng)度大；（2）地形變化劇烈，風(fēng)環(huán)境復(fù)雜；（3）峽谷深切，路線與地面垂直高差大，橋梁跨越距離大；（4）陡崖交錯(cuò)發(fā)育，覆蓋土層厚，有順層邊坡；（5）兩岸地勢(shì)陡峻，施工場(chǎng)地狹?。唬?）道路等級(jí)低，運(yùn)距遠(yuǎn)，構(gòu)件運(yùn)輸、吊裝拼裝及施工工藝受限；（7）橋梁寬跨比小，風(fēng)效應(yīng)突出；（8）地震動(dòng)峰值加速度大，橋梁抗震要求高；（9）橋梁跨越水庫，環(huán)保要求高。橋型方案設(shè)計(jì)的主要控制因素在于橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定、施工實(shí)施的難度和經(jīng)濟(jì)性。橋位處考慮布置的橋型方案有主跨998m拱橋、主跨720m斜拉橋和主跨1386m懸索橋。拱橋方案華坪岸基礎(chǔ)位于崩積區(qū)，麗江岸基礎(chǔ)位于陡坡，且臨近水域，難以滿足強(qiáng)大推力作用下的拱座基礎(chǔ)穩(wěn)定需求；拱橋?yàn)閯傂灾С畜w系，地震效應(yīng)大，主拱圈架設(shè)階段抗風(fēng)、抗震需求高，施工難度大。斜拉橋方案麗江岸索塔位于電站上游近水區(qū)域，屬崩積堆積區(qū)欠穩(wěn)定區(qū)，水位變化對(duì)岸坡長期穩(wěn)定帶來不利影響，施工環(huán)保要求也很高；麗江岸索塔高470m，施工難度大，且在高地震烈度區(qū)域，高索塔對(duì)于抗震不利。懸索橋方案索塔、錨碇及引橋基礎(chǔ)碎石覆蓋層較厚，需對(duì)邊坡岸坡進(jìn)行防護(hù)處理；麗江岸隧道錨位于順層邊坡，受力不利；懸索橋跨徑最大，橫向剛度最小，抗震性能好，但需采取措施提高橋梁的橫向剛度和抗風(fēng)性能。經(jīng)綜合比較，拱橋方案和斜拉橋方案實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)較大，懸索橋方案雖存在局部地質(zhì)病害需要處理以及抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)控制設(shè)計(jì)等多方面難點(diǎn)，但均可通過可靠的工藝、技術(shù)解決，因此采用懸索橋方案。2.2華坪岸錨碇在公路隧道上的分離設(shè)計(jì)控制大橋分跨布置的因素主要是索塔高度和橋梁錨碇與公路路線的避讓方式。由于兩岸的坡度較大，當(dāng)錨碇置于路線下方時(shí)，華坪岸索塔下塔柱高135m，麗江岸索塔下塔柱高170m，相較于115m高的上塔柱和主跨跨徑為1100m的懸索橋，結(jié)構(gòu)構(gòu)造很不協(xié)調(diào)。在高烈度地震區(qū)，索塔受力極為不利，因此兩岸錨碇不適于布置于路線的正下方。華坪岸錨碇處坡面為10°～20°，可讓邊跨主纜布置較大的跨徑，引橋以整幅朝一側(cè)偏轉(zhuǎn)的方式，讓錨碇布置于公路路線的側(cè)方。麗江岸坡面更為陡峭，無法實(shí)現(xiàn)在平面上主橋錨碇與引橋路基分離，將錨碇整體布置于公路隧道上方，確保錨碇最低點(diǎn)與公路隧道留有足夠的安全距離。根據(jù)上述控制條件，將大橋主橋主纜分跨布置為330m+1386m+205m，僅在中跨設(shè)置懸吊以提高大橋的經(jīng)濟(jì)性。2.3錨固結(jié)構(gòu)及錨索塔布置(1）錨碇。兩岸均采用隧道式錨碇，散索鞍支墩基礎(chǔ)均為擴(kuò)大基礎(chǔ)。華坪岸錨塞體位于中風(fēng)化玄武巖，散索鞍基礎(chǔ)以中風(fēng)化塊狀玄武巖及中風(fēng)化火山角礫巖作為持力層。麗江岸錨塞體位于中風(fēng)化玄武巖，散索鞍基礎(chǔ)以中風(fēng)化塊狀玄武巖及中風(fēng)化杏仁狀玄武巖作為持力層。兩岸錨碇前錨室洞口尺寸為11.6m×10m（寬×高），頂部為圓弧形，圓弧半徑為5.8m。前錨面尺寸為11.6m×14m（寬×高），頂部為圓弧形，圓弧半徑為5.8m，后錨面尺寸為17m×24m（寬×高），頂部圓弧半徑為8.5m，錨塞體長度為40m，錨塞體最小凈距為10m。后錨室端部尺寸為17m×21.299m（寬×高），長3m。錨固系統(tǒng)采用預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)，預(yù)應(yīng)力采用環(huán)氧樹脂全噴涂鋼絞線+防腐油脂的無黏結(jié)形式，預(yù)應(yīng)力環(huán)氧樹脂全噴涂鋼絞線在全生命周期內(nèi)可以更換。錨固系統(tǒng)由索股錨固拉桿和預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造組成。錨固拉桿采用材料為40CrNiMo，直徑為ue78885mm的鋼棒。預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造分單索股錨固和雙索股錨固兩種類型。單索股錨固類型含7束GJ15EB-3擠壓錨固鋼絞線，雙索股錨固含7束GJ15EB-6擠壓錨固鋼絞線。單束擠壓錨固鋼絞線由錨具、防腐鋼絞線、HDPE護(hù)套組成，每根大纜每端設(shè)37個(gè)單索股錨固連接和66個(gè)雙索股錨固連接。為便于隧道錨的檢修，兩岸錨碇設(shè)置了前錨室和后錨室，前錨室和后錨室之間設(shè)置連接通道，左、右后錨室之間設(shè)置連接通道。為加強(qiáng)隧道錨的防排水措施，在華坪岸后錨室底面往索塔方向設(shè)計(jì)了長約340m、高2.0m、寬1.5m的排水兼檢修通道的人洞。麗江岸錨碇在公路隧道正上方，因此在后錨室底部低側(cè)設(shè)置集水槽，在集水槽底部打設(shè)豎向排水管，將水引入下方的公路隧道內(nèi)。豎向排水管采用3根ue788160mm×5mm的不銹鋼管。(2）索塔。兩岸采用門形鋼筋混凝土索塔，華坪岸索塔高222m，麗江岸索塔高186m，設(shè)上下橫梁各1道。左右兩側(cè)塔柱中心間距在塔頂位置為27m，在塔底位置為39.818m。塔柱均采用D形薄壁空心斷面，華坪岸索塔順橋向尺寸為9.0～13.0m，橫橋向尺寸為6～9m，麗江岸索塔順橋向尺寸為9.0～12.35m，橫橋向尺寸為6～8.512m。上塔柱壁厚1.0m，下塔柱壁厚1.2m。橫梁為空心矩形斷面，上橫梁高8.0m，寬8.0m，下橫梁高9.0m，寬10.0m壁厚均為1.0m。承臺(tái)為臺(tái)階形構(gòu)造，輪廓尺寸為23.4m×23.4m×8m。每個(gè)承臺(tái)下采用32根D2.8m的端承樁，按行列式布置。根據(jù)樁基處的地質(zhì)情況不同，華坪岸采用的樁長為45.0m，麗江岸路線左側(cè)樁長為43.0m，右側(cè)樁長為65.0m。樁頂區(qū)域設(shè)鋼護(hù)筒樁，鋼護(hù)筒壁厚30mm，長8m，埋入承臺(tái)中的深度為3.0m。(3）加勁梁。加勁梁采用板桁結(jié)合構(gòu)造，主要由正交異性鋼橋面板和鋼桁架構(gòu)成，正交異性鋼橋面板與鋼桁架焊接連接，共同參與受力。鋼桁架由主桁架、橫桁架和下平聯(lián)構(gòu)成，如圖2所示。主桁架為帶豎腹桿的華倫式構(gòu)造，桁高9.5m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長10.8m，橫向中心距為27.0m。標(biāo)準(zhǔn)段桿件構(gòu)造尺寸見表1。正交異性橋面板橫梁間距為2.7m，縱梁間距為6.25m。頂板厚16mm，行車道板下設(shè)U形縱肋加勁，其余部位以板肋加勁。U肋高280mm，頂寬300mm，底寬180mm，壁厚8mm，橫向間距580mm。除主桁架桿上弦桿、下弦桿件采用Q420qD鋼材外，其余桿件及正交異性板均采用Q345qD鋼材。(4）纜索系統(tǒng)。全橋共設(shè)2條主纜，每條主纜由169股127絲5.25mm抗拉強(qiáng)度為1770MPa的平行鋼絲組成。主纜索夾內(nèi)設(shè)計(jì)空隙率為18%，索夾外設(shè)計(jì)空隙率為20%，相應(yīng)主纜直徑分別為849mm和860mm。吊索鋼絲繩公稱直徑為ue78854mm，公稱抗拉強(qiáng)度為1670MPa，結(jié)構(gòu)形式為8×55SWS+IWR。吊索上端與索夾為騎跨式連接，下端與加勁梁為銷鉸式連接，跨中區(qū)域短吊索銷鉸接頭帶有關(guān)節(jié)軸承，以減小吊索的彎折。為限制主纜和鋼桁架的縱向水平位移，在主纜跨中設(shè)置3對(duì)柔性中央扣，中央扣斜拉索采用公稱直徑為54mm的8×55SWS+IWR的鋼絲繩。3工程關(guān)鍵3.1順?biāo)吰戮植恐踅Y(jié)構(gòu)華坪岸地形較緩，地表松散崩塌堆積土厚7～15m，下伏基巖為中風(fēng)化玄武巖夾角礫巖，卸荷裂隙不發(fā)育，巖層較完整，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖層呈順坡構(gòu)造。該段岸坡在單項(xiàng)工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅在降雨+地震的極端工況下處于局部失穩(wěn)狀態(tài)。為確保極端工況下的橋梁結(jié)構(gòu)安全，對(duì)索塔前方、左側(cè)方順坡地勢(shì)較低側(cè)打入一排規(guī)格為2.5m×3.5m的剛性支擋樁，以增加索塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，并在索塔后側(cè)新開挖邊坡坡腳打入一排規(guī)格為2.0m×3.0m的剛性支擋樁，確保后側(cè)邊坡的穩(wěn)定性。同時(shí)，加強(qiáng)索塔附近淺表土質(zhì)岸坡的截排水，對(duì)淺表土質(zhì)岸坡采用錨索框格梁和掛網(wǎng)噴錨等支擋措施，對(duì)錨洞口開挖前進(jìn)行了超前管棚預(yù)支擋等一系列技術(shù)措施，確保邊坡穩(wěn)定性。3.2順層與圍巖角度麗江岸隧道錨位置崩塌堆積土層覆蓋5～10m，結(jié)構(gòu)較松散，下伏強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化杏仁狀玄武巖、中風(fēng)化致密塊狀玄武巖和凝灰?guī)r夾層。巖層與坡面呈反傾構(gòu)造，傾角約12°。隧道錨中心線與水平方向夾角為42°，因此隧道錨與巖層為順層方向，夾角為30°。綜上所述，麗江岸隧道錨受力存在兩項(xiàng)不利因素：（1）錨塞體穿過凝灰?guī)r夾層，導(dǎo)致錨塞體抗拔穩(wěn)定性降低；（2）隧道錨與巖層結(jié)構(gòu)面為順層方向，導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性降低。公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范給出了錨塞體抗拔安全估算公式，建議采用巖土力學(xué)數(shù)值模型計(jì)算錨塞體和圍巖的承載能力圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)主要通過圍巖結(jié)構(gòu)塑性區(qū)范圍大小和變形進(jìn)行評(píng)估，取當(dāng)塑性區(qū)貫通時(shí)施加荷載的1/2作為圍巖失穩(wěn)時(shí)的承載能力。計(jì)算表明，麗江岸隧道錨圍巖的穩(wěn)定安全系數(shù)為6.0，大于規(guī)范規(guī)定的4.0。3.3氣動(dòng)優(yōu)化措施組合由于橋址區(qū)地形地貌復(fù)雜、風(fēng)環(huán)境惡劣，大橋結(jié)構(gòu)寬跨比小、柔性大，因此大橋?qū)τ陲L(fēng)致振動(dòng)極其敏感。既有經(jīng)驗(yàn)表明，顫振往往是懸索橋抗風(fēng)安全的控制因素。因此，大橋設(shè)計(jì)期間采用了數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的方式，進(jìn)行了大橋的抗風(fēng)性能研究。在加勁梁不采用抗風(fēng)措施的情況下，橋梁原始斷面在負(fù)攻角下的顫振臨界風(fēng)速遠(yuǎn)小于相應(yīng)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，加勁梁存在較大的發(fā)生顫振的可能性。利用氣動(dòng)措施提高橋梁的顫振穩(wěn)定性具有簡單方便、效果顯著等優(yōu)勢(shì)，常用的氣動(dòng)措施有增設(shè)橋面中央封槽（中央開口類橋面）、上穩(wěn)定板、下穩(wěn)定板、水平穩(wěn)定板、氣動(dòng)翼板等。對(duì)于不同環(huán)境下的不同橋梁結(jié)構(gòu)，適用的抗風(fēng)措施不盡相同。由于原始斷面-3°和0°攻角顫振臨界風(fēng)速與檢驗(yàn)風(fēng)速均有較大差異，單一優(yōu)化措施可能無法保證原始斷面在各個(gè)風(fēng)攻角下顫振臨界風(fēng)速均大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，因此大橋在試驗(yàn)研究過程中考察了多種氣動(dòng)優(yōu)化措施組合的效果方案5在不同攻角下的顫振性能較原始斷面均有提升，方案4除+5°攻角下的顫振性能略有降低但也滿足抗風(fēng)穩(wěn)定的需求外，其余攻角范圍內(nèi)都有提升。同時(shí)設(shè)置上抗風(fēng)穩(wěn)定板和下抗風(fēng)穩(wěn)定板時(shí)，由于穩(wěn)定板的擋風(fēng)面積較大，將明顯增大橋梁斷面的阻力系數(shù)。當(dāng)僅設(shè)分離式傾斜下穩(wěn)定板時(shí)，斷面的水平風(fēng)阻力系數(shù)為1.102，經(jīng)計(jì)算在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載作用下加勁梁的橫向撓跨比為1/151.8<1/150，可滿足相關(guān)規(guī)范的要求，因此確定采用方案4?？癸L(fēng)穩(wěn)定板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為寬2.3m的外八字形鋼板，豎向布置在橫桁架內(nèi)斜腹桿上部距離橫梁下緣1.1m高的位置，如圖3所示。3.4強(qiáng)震區(qū)特殊抗震措施的效果大橋位于高烈度地震區(qū)，需要采取適當(dāng)措施將結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力控制在允許的范圍內(nèi)。采用SAP2000建立全橋抗震計(jì)算模型，分別按照100年超越概率10%和4%的地震動(dòng)輸入，進(jìn)行反應(yīng)譜分析、線性時(shí)程分析和非線性時(shí)程分析。結(jié)果表明，當(dāng)加勁梁端部無縱向約束、主梁未采取特殊抗震措施時(shí)，加勁梁梁端縱向位移達(dá)±2.325m，遠(yuǎn)高于伸縮縫在靜力工況下的位移，因此易造成伸縮縫、支座等附屬設(shè)施的損害。當(dāng)在中跨跨中設(shè)置3對(duì)柔性中央扣時(shí)，梁端位移可降低65%，索塔塔底彎矩降低9%。當(dāng)在每側(cè)梁端設(shè)置兩套液體黏滯阻尼器時(shí)，梁端位移可降低58%，索塔塔底彎矩降低15%。當(dāng)同時(shí)采用中央扣拉索和液體黏滯阻尼器時(shí)，梁端位移可降低72%，索塔塔底彎矩降低25%，綜合效果最好。對(duì)大橋采用不同塔柱截面尺寸的抗震效果進(jìn)行了比較分析，在索塔保持2.03%的配筋率的條件下，索塔截面尺寸變化時(shí)，兩岸索塔塔底截面驗(yàn)算結(jié)果見表4和表5。隨著截面尺寸的增加，兩岸塔柱截面抗力增加，同時(shí)截面內(nèi)力也增加。華坪岸塔柱截面尺寸的增加未能提高截面的安全系數(shù)，麗江岸塔柱截面安全系數(shù)隨著尺寸的增加而增加。3.5錨點(diǎn)開孔孔型設(shè)計(jì)板桁結(jié)合加勁梁中橋面板參與總體受力，同時(shí)也承擔(dān)了局部輪壓作用，受力特征復(fù)雜，發(fā)生病害時(shí)修復(fù)難度很大。設(shè)計(jì)提出了以下兩項(xiàng)措施，來提高橋面板的耐久性。(1)U肋與橋面板全熔透焊接(2）橫隔板弧形切口。歐洲規(guī)范對(duì)公路橋梁推薦采用圖4中孔型1的構(gòu)造，對(duì)于鐵