山西三合高速山西縮影景觀橋異形橋塔造型設(shè)計(jì)

山西三合高速山西縮影景觀橋異形橋塔造型設(shè)計(jì)

0景觀橋梁在設(shè)計(jì)過(guò)程中的作用除了滿(mǎn)足基本交通功能外，城市橋梁還反映了城市發(fā)展的重要景觀工程。現(xiàn)代城市的景觀橋梁往往橋梁跨徑并不大，但為了表現(xiàn)景觀效果，將橋塔、拱等橋面以上建筑造型設(shè)計(jì)得較為夸張、異形，因此，相較于跨越大型障礙物、以結(jié)構(gòu)本身為主的橋梁做法，景觀橋梁在設(shè)計(jì)過(guò)程中具有其自身的顯著特點(diǎn)。本文以山西省長(zhǎng)治市神農(nóng)湖大橋?yàn)楸尘?，?duì)異形橋塔造型的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了分析比較，并分析了該橋的結(jié)構(gòu)體系、建模要點(diǎn)及其在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，為類(lèi)似工程提供借鑒。1設(shè)計(jì)主題及結(jié)構(gòu)布置神農(nóng)湖大橋位于山西省長(zhǎng)治市濱湖區(qū)，為長(zhǎng)治市的矚目地標(biāo)。橋位西側(cè)為漳澤水庫(kù)，東側(cè)為神農(nóng)湖公園。大橋的設(shè)計(jì)主題為“揚(yáng)帆起航”。圖1為神農(nóng)湖大橋的鳥(niǎo)瞰效果。神農(nóng)湖大橋橋梁總長(zhǎng)為520m，跨徑布置為（4×32.5)m+(2×130)m+(4×32.5)m。神農(nóng)湖大橋主橋采用獨(dú)塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為130m+130m，塔高109m，其立面布置見(jiàn)圖2。橋梁全寬為47m，其橫斷面布置見(jiàn)圖3。2塔的設(shè)計(jì)2.1橋橋塔截面形狀橋塔縱橋向造型為人字形，橫橋向?yàn)橐蛔中危捎娩撓浣Y(jié)構(gòu)。塔高109m，其中橋面以上塔高88m，橋面以下塔高21m。縱橋向人字形橋塔由2個(gè)鋼箱斷面組成，上部一體、下部分離，截面沿塔高方向線(xiàn)形呈曲線(xiàn)變化。本橋橋塔截面形狀特殊，其上半段為整截面（近似8邊形），下半段為分離截面（近似5邊形）。橋塔上半段截面縱橋向尺寸為2.45～9m，橫橋向尺寸為1.45～5.35m；橋塔下半段單側(cè)截面縱橋向尺寸為3.5～9.8m，橫橋向尺寸為4.2～11.6m，兩側(cè)分離截面凈距最大為17m。橋塔上、下半段截面形狀及尺寸見(jiàn)圖4、圖5。2.2橋塔結(jié)構(gòu)方案比選相對(duì)于常規(guī)橋塔截面，該橋塔截面特殊之處在于其縱橋向和橫橋向并非一個(gè)面板，而是由多個(gè)折面組成，且造型上順橋向還存在一段曲面。橋塔斷面設(shè)計(jì)的目標(biāo)是受力合理、材料經(jīng)濟(jì)、施工便利、耐久性好。綜合考慮，提出了3種方案。方案1：設(shè)計(jì)截面為矩形截面，橋塔外形全部通過(guò)裝飾結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。方案2：設(shè)計(jì)截面為矩形截面帶倒角，橋塔外形全部通過(guò)裝飾結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。方案3：設(shè)計(jì)截面為10邊形截面，橋塔外形直線(xiàn)段由受力結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，弧線(xiàn)段由裝飾結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。以橋塔上半段截面設(shè)計(jì)為例，3個(gè)方案結(jié)構(gòu)比選見(jiàn)表1。分析表1可以發(fā)現(xiàn)：方案1和方案2受力結(jié)構(gòu)部分的利用率相對(duì)較差、剛度低、耐久性能也相對(duì)較差；加工方面則是受力結(jié)構(gòu)部分較為簡(jiǎn)單易控，但裝飾部分處理起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。方案3雖然主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，但不難實(shí)現(xiàn)，其中的橋塔外形直線(xiàn)段通過(guò)高斯曲面分析為單曲面，鋼結(jié)構(gòu)工廠加工方便，外形弧線(xiàn)段為扭曲面，可通過(guò)裝飾結(jié)構(gòu)做法用薄鋼板實(shí)現(xiàn)；且其結(jié)構(gòu)剛度大，經(jīng)濟(jì)性、耐久性好，故橋塔截面設(shè)計(jì)采用方案3。橋塔上半段采用10邊形異形截面，下半段為分離6邊形截面，順橋向兩端在側(cè)板端部焊接弧形裝飾鋼板。橋塔截面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6、圖7。3橋塔索力控制斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系根據(jù)塔、梁、墩結(jié)合方式可分成4種：漂浮、半漂浮、塔梁固結(jié)塔墩分離和塔墩梁固結(jié)本工程為景觀斜拉橋，橋塔造型效果是控制因素。為達(dá)到景觀效果，橋塔尺寸不宜過(guò)大。而本工程雖跨度不大，但橋面很寬，橋面系很重。若按常規(guī)斜拉橋設(shè)計(jì)，每根斜拉索分擔(dān)到的索力很大，對(duì)異形獨(dú)塔來(lái)說(shuō)在受力和張拉空間兩方面都將需要更大橋塔尺寸。處理兩者矛盾是索力控制的關(guān)鍵。為此，本次設(shè)計(jì)考慮采用部分斜拉橋做法，塔梁共同分擔(dān)橋面荷載，盡可能地降低索力，將標(biāo)準(zhǔn)組合下最大索力控制在300t。3.1固結(jié)體系模擬本橋采用Midas/CivilV2019進(jìn)行有限元分析。塔、梁、墩、承臺(tái)采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬。支座采用一般連接模擬，承臺(tái)底群樁基礎(chǔ)按固結(jié)近似考慮；漂浮體系塔梁之間無(wú)約束，塔墩梁固結(jié)體系塔梁之間采用剛性連接。塔墩梁固結(jié)體系共設(shè)26對(duì)斜拉索，漂浮體系則在橋塔處增設(shè)2對(duì)0號(hào)索。主橋空間桿系有限元模型見(jiàn)圖8。3.2設(shè)置彎矩對(duì)比分析對(duì)漂浮體系和塔墩梁固結(jié)體系模型施加相同的體外索力，并計(jì)入自重和橋面鋪裝等二期恒載，對(duì)兩者主梁在恒載作用下的彎矩效應(yīng)進(jìn)行比較分析。漂浮體系主梁在橋塔處正彎矩最大，正彎矩峰值為811566kN·m（見(jiàn)圖9）；塔墩梁固結(jié)體系橋塔處主梁為負(fù)彎矩，最大彎矩為-325980kN·m，跨中最大正彎矩為213312kN·m（見(jiàn)圖10）。由此可見(jiàn)，漂浮體系主梁彎矩遠(yuǎn)大于塔墩梁固結(jié)體系。3.3結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析本工程由于橋面較寬，為保證橋塔的效果，采用部分斜拉橋設(shè)計(jì)，塔梁共同受力，因此，漂浮體系近似單跨為260m的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，塔墩梁固結(jié)體系近似于2跨連續(xù)梁的受力。雖然塔墩梁固結(jié)體系塔墩梁結(jié)合處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，但從結(jié)構(gòu)受力角度要遠(yuǎn)優(yōu)于漂浮體系。因此，本工程主橋最終選用塔墩梁固結(jié)體系。4塔墩梁固結(jié)處梁格模型結(jié)構(gòu)整體靜力分析一般可采用單梁魚(yú)骨梁模型或空間梁格模型。本橋橫斷面采用雙主梁形式，2道主梁位于獨(dú)塔兩側(cè)，橫橋向每道主梁距橋塔中心13.5m，采用單梁魚(yú)骨梁模型無(wú)法真實(shí)模擬塔墩梁固結(jié)處2道大橫梁對(duì)縱梁的支撐剛度，從而無(wú)法真實(shí)模擬主梁和橋塔的彎矩分布。因此，本橋應(yīng)采用梁格模型進(jìn)行靜力分析。塔墩梁固結(jié)處梁格模型見(jiàn)圖11。在恒載作用下，單梁魚(yú)骨梁模型和梁格模型模擬的主梁彎矩見(jiàn)圖12。由圖12可見(jiàn)，在塔梁固結(jié)處，單梁魚(yú)骨梁模型模擬的主梁彎矩變化較大，主梁負(fù)彎矩降低了35%，而梁格模型模擬的主梁彎矩變化較小，負(fù)彎矩降低了15%。在恒載作用下，單梁魚(yú)骨梁模型和梁格模型模擬的橋塔下半段彎矩見(jiàn)圖13。由圖13可見(jiàn)：在塔梁固結(jié)處，單梁魚(yú)骨梁模型模擬的橋塔分配了較多主梁彎矩，因此結(jié)合段橋塔彎矩較大，橋塔彎矩零點(diǎn)離主梁較遠(yuǎn)，塔底彎矩較??；梁格模型模擬的橋塔僅分配了少量彎矩，因此結(jié)合段橋塔彎矩較小，橋塔彎矩零點(diǎn)位置靠近主梁，塔底彎矩較大。由以上分析可見(jiàn)，塔墩梁固結(jié)的單梁魚(yú)骨梁模型不能準(zhǔn)確模擬主梁和主塔的真實(shí)受力狀況。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，橋塔僅能分配少量主梁的彎矩。5抗疲勞分析5.1地震作用本工程場(chǎng)地地震基本烈度為7度，水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值0.1g；根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性根據(jù)建立的全橋動(dòng)力計(jì)算模型，對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的分析研究。表2列出了控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的一些主要?jiǎng)恿μ匦?。由?可見(jiàn)，由于本工程主橋?yàn)樗樟汗探Y(jié)體系，且橋塔縱向?yàn)槿俗中?，其縱橋向剛度非常大，因此，結(jié)構(gòu)的1階振型并非全漂浮體系或半漂浮體系斜拉橋常見(jiàn)的縱飄振型,而是以主梁1階豎彎為主的振型。5.3塔墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)計(jì)算，主梁在過(guò)渡墩處縱橋向最大位移為42mm，橫橋向最大位移為120mm。由于本工程為塔墩梁固結(jié)體系，邊墩采用抗震支座對(duì)主橋耗能影響很小，故本次抗震設(shè)計(jì)邊墩采用普通球鋼支座。本橋地震力主要集中于橋塔上,兩側(cè)邊墩承擔(dān)的地震力的比例非常小；此外,塔墩梁固結(jié)節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力較大，因此，除塔底截面外，固結(jié)點(diǎn)處橋塔截面與主梁截面均為抗震設(shè)計(jì)控制截面,應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范6結(jié)構(gòu)、景觀和支護(hù)(1）景觀斜拉橋橋塔截面變化若為單曲面變化，盡可能用外形尺寸作為結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。扭曲面無(wú)法加工厚鋼板，宜采用裝飾結(jié)構(gòu)分段連接。(2）在確定城市橋梁的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，除考慮結(jié)構(gòu)受力、造價(jià)和施工等因素外，橋梁景觀也是重要的因素。為兼顧結(jié)構(gòu)和景觀，往往需要縱梁分擔(dān)更多橋面荷載。(3）塔墩梁固結(jié)體系獨(dú)塔斜拉橋，當(dāng)采用雙主