魚(yú)嘴長(zhǎng)江大橋塔柱設(shè)計(jì)

魚(yú)嘴長(zhǎng)江大橋塔柱設(shè)計(jì)

1大型橋梁結(jié)構(gòu)魚(yú)嘴大橋是連接長(zhǎng)江西部道路走廊重慶環(huán)路東段的一座特例橋。這座橋全長(zhǎng)1404米，主橋?yàn)椋?806.205）m單通雙橋式鋼箱懸索橋。南岸引橋?yàn)閮蓸?5m連續(xù)箱梁，北岸引橋?yàn)?.56m和3.56m連續(xù)剛構(gòu)。該橋總體布置見(jiàn)圖1。2峽水庫(kù)運(yùn)行水位(1)通航等級(jí)為內(nèi)河Ⅰ-(2)級(jí)。(2)通航凈空。凈高:最高通航水位以上不小于18m;凈寬:單孔雙向通航凈寬不小于435.0m,橋梁軸線(xiàn)與航道斜交角為102°。(3)通航水位。2009年10月以后,三峽工程正常蓄水按175m-145m-155m(吳淞)運(yùn)行。隨水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間的增加,橋區(qū)河段汛期淤積的泥沙在枯水期不能被沖走,將出現(xiàn)累計(jì)性淤積?？紤]泥沙淤積的影響,在三峽水庫(kù)運(yùn)行100年后,計(jì)算得最高通航水位194.40m(吳淞)、192.68m(黃海)。設(shè)計(jì)最低通航水位為153.03m(黃海)。(4)通航船型。重慶境內(nèi)長(zhǎng)江干線(xiàn)目前大宗運(yùn)輸以1000t和1500t駁船與1942kW拖輪組成的船隊(duì)為主,遠(yuǎn)期規(guī)劃船隊(duì)為1942kW拖輪配合多艘1000～3000t駁船組成的萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)。3船舶撞擊力設(shè)計(jì)該橋南塔設(shè)在K184+940處,塔柱底面高程190.2m(黃海),與最高通航水位192.68m(黃海)接近,通過(guò)在橋塔河心側(cè)設(shè)置擋墻可以避免船舶直接撞擊塔身。該橋北塔設(shè)在K185+556處,塔柱底面高程為168.5m(黃海)。三峽工程正常蓄水后,船舶通航水位為153.03～192.68m(黃海),該橋塔有受到船舶撞擊的可能,必須考慮橋塔的船撞力,進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)。船舶撞擊力的作用范圍由通航水位、船舶水上高度、吃水深度等參數(shù)確定。船舶撞擊力最高作用點(diǎn)位于最高通航水位192.68m(黃海)以上6.5m,即高程199.18m(黃海)處。根據(jù)專(zhuān)題研究報(bào)告,船舶撞擊力分為總體撞擊力和局部撞擊力。船舶總體撞擊力見(jiàn)表1。船舶局部撞擊又分為碰撞初始階段和碰撞結(jié)束階段2種工況。船舶碰撞初始階段出現(xiàn)有最大壓強(qiáng)的碰撞力,按照點(diǎn)荷載計(jì)算,大小為10000kN,作用面積0.5m2。碰撞結(jié)束階段撞擊力作用區(qū)域呈三角形(見(jiàn)圖2),在三角形的3條邊上作用均布線(xiàn)載荷2800kN/m,三角形所圍面積內(nèi)作用均布面荷載500kN/m2。4北塔防雨設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1橋塔推動(dòng)結(jié)構(gòu)推動(dòng)設(shè)計(jì)在橋梁初步設(shè)計(jì)階段,航道尚未有遠(yuǎn)期船隊(duì)規(guī)劃,船舶撞擊荷載按照設(shè)計(jì)規(guī)范取值,橫橋向撞擊力為1400kN,順橋向撞擊力為1100kN。北塔按照常規(guī)的門(mén)式構(gòu)造設(shè)計(jì),在柱頂處設(shè)置1道上橫梁,在箱梁支座下設(shè)置1道下橫梁。塔柱采用C50混凝土,采用箱形截面,橫橋向?qū)?.2m,順橋向?qū)挾扔伤斕?.0m按照7/1000的坡率線(xiàn)性增大到塔柱底的7.956m。上、下段塔柱壁厚分別為0.6m和0.8m。塔柱底與承臺(tái)之間設(shè)有塔座,承臺(tái)尺寸為20.3m×20.3m,厚5.5m,下設(shè)9根?3.0m挖孔樁。橋梁施工圖設(shè)計(jì)階段,由于規(guī)劃了遠(yuǎn)期船隊(duì),船舶撞擊荷載大幅提高,原設(shè)計(jì)橋塔塔身已無(wú)法抵御船撞,必須采取其它防撞措施。橋梁防撞通常采用人工島、圍堰、實(shí)體墩、浮式消能設(shè)施或墩外樁柱等方法。由于該橋橋位處水位落差近40m,塔柱高程168.5～199.18m(黃海)范圍皆有可能受到船舶撞擊,需要防撞保護(hù)的范圍超過(guò)30m,傳統(tǒng)的防撞方法難以達(dá)到理想的效果。根據(jù)表1,船舶順橋向船撞力為橫橋向船撞力的一半,經(jīng)過(guò)計(jì)算分析,橋塔設(shè)計(jì)主要由橫橋向船撞工況控制。防撞設(shè)計(jì)考慮依靠橋塔自身抵御船舶撞擊,設(shè)計(jì)中需要解決2個(gè)問(wèn)題,即船舶總體撞擊力作用下的橋塔總體承載能力和船舶局部撞擊力作用下塔柱被撞位置的局部強(qiáng)度問(wèn)題。該橋北塔下橫梁底面高程為231.273m(黃海),塔柱底面高程為168.5m(黃海),下橫梁底面至柱底間的下塔柱高度達(dá)到62.773m;船舶最高撞擊點(diǎn)高程為199.18m(黃海),接近下塔柱的中間高度處,塔柱在船撞工況下的受力極為不利。為了改善塔柱受力,考慮在下塔柱的適當(dāng)位置增設(shè)1道底橫梁,以增加塔柱的側(cè)向支承,通過(guò)橫梁傳遞一部分撞擊力至另一塔柱,從而減小被直接撞擊塔柱的內(nèi)力,使橋塔在船舶總體撞擊力作用下的承載能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。橋塔的塔柱通常采用箱形截面,與實(shí)心截面比較,箱形截面可以用較少的材料提供相近的截面慣性矩,并可減小結(jié)構(gòu)自重,截面型式相對(duì)合理。但考慮船舶局部撞擊時(shí),箱形截面薄壁結(jié)構(gòu)就顯得較薄弱,需要對(duì)其局部受力進(jìn)行分析。4.2有限元模型的建立對(duì)于下塔柱可能受到船撞的部位,比較了單箱雙室截面和實(shí)心截面2種型式。塔柱橫橋向?qū)?.2m,順橋向?qū)?.5～7.956m。單箱雙室截面外壁厚0.95m,中腹板厚0.6m,塔柱截面及橫橋向局部船撞位置示意見(jiàn)圖3。采用ANSYS有限元軟件建立塔柱有限元模型,橋塔采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬,局部撞擊荷載考慮了碰撞初始階段和碰撞結(jié)束階段2種工況,其中碰撞初始階段工況較不利。2種截面型式的塔柱主應(yīng)力見(jiàn)圖4和圖5。由圖4和圖5可見(jiàn),在船舶局部撞擊荷載作用下,單箱雙室截面的塔柱內(nèi)壁主拉應(yīng)力最大達(dá)到4.3MPa,塔柱混凝土將會(huì)開(kāi)裂;實(shí)心截面的塔柱表面僅在局部角點(diǎn)位置出現(xiàn)了最大為3.92MPa的主拉應(yīng)力,其余位置的混凝土主拉應(yīng)力均未超過(guò)C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.83MPa。經(jīng)計(jì)算比較,下塔柱采用實(shí)心截面,范圍為塔柱底至高程203.0m(黃海),并通過(guò)在塔柱四周設(shè)置?6mm、間距10cm×10cm冷軋帶肋鋼筋網(wǎng),解決了下塔柱局部防撞問(wèn)題。4.3塔柱內(nèi)、底補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果底橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,采用C50混凝土、箱形截面,寬6.4m,高7.0m,頂、底板及腹板厚0.6m;沿橫橋向長(zhǎng)度為36.085m,中間設(shè)3道厚0.6m的橫隔板;沿豎向按照5m間隔設(shè)計(jì)5種位置。北塔構(gòu)造及船撞位置示意見(jiàn)圖6。船舶撞擊最高點(diǎn)位于高程199.18m(黃海)處,其下的塔柱皆有可能受到撞擊。船撞點(diǎn)考慮了最高撞擊點(diǎn)I和底橫梁以下塔柱高度中點(diǎn)J兩種位置,相對(duì)于其它可能的撞擊位置,這兩點(diǎn)引起的塔柱底橫梁頂面處、柱底及底橫梁端部3處控制截面的彎矩較不利。計(jì)算采用空間有限元程序MIDAS/Civil2006,按照成橋運(yùn)營(yíng)階段建模,北塔有限元結(jié)構(gòu)離散見(jiàn)圖7,約束條件為塔柱底固結(jié)。底橫梁位置豎向按照5m間隔設(shè)置,比較了其頂面高程203.0,198.0,193.0,188.0,183.0m(黃海)5種工況下塔柱截面內(nèi)力,同時(shí)提供了不設(shè)置底橫梁時(shí)塔柱內(nèi)力以供比較。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可以得到如下結(jié)論:(1)不設(shè)底橫梁時(shí),I點(diǎn)橫橋向船撞引起的柱底截面彎矩為339043kN·m,已超出塔柱的承載能力;設(shè)置底橫梁后,柱底彎矩至少可減小至175746kN·m,減幅達(dá)48%,因此設(shè)置底橫梁是必要的。(2)船撞位置在I點(diǎn)和J點(diǎn)相比較,I點(diǎn)船撞引起的前述3處控制截面彎矩要大于J點(diǎn)船撞效應(yīng),I點(diǎn)船撞控制塔柱截面設(shè)計(jì)。I點(diǎn)船撞效應(yīng)與底橫梁位置的關(guān)系,總體上呈現(xiàn)出如下規(guī)律:隨底橫梁高度降低,船撞引起的塔柱底面彎矩值減小,但塔柱底橫梁頂面處彎矩及底橫梁端部彎矩值增大。綜合考慮橋塔3處控制截面的受力,選擇將底橫梁頂面高程設(shè)置在203.0m(黃海)處,此位置船撞引起的塔柱底橫梁頂面處彎矩及底橫梁端部彎矩最小。4.4不同橋向構(gòu)造影響下塔柱截面型式及底橫梁位置確定后,對(duì)北塔進(jìn)行總體防撞驗(yàn)算。計(jì)算考慮了恒載、汽車(chē)荷載、橫橋向總體船撞荷載、流水壓力以及橫橋向運(yùn)營(yíng)風(fēng)荷載。橋塔單元?jiǎng)澐滞瑘D7,成橋階段塔柱頂?shù)捻槝蛳蛭灰票患s束,活載