岳阳洞庭湖大桥三塔斜拉桥设计.pdf

±璺坌堕兰全! ! ! ! 主兰查壅鎏熊查墨．———————————————j 叁墨三坚笪岳阳洞庭湖大桥三塔斜拉桥设计廖建宏李迪清胡建华周宏林湖南省交通规划勘察设计院一、概逍岳阳洞庭潮大桥位于岳阳市北门渡口下游1 ．3 5 k m 处，是省道1 8 0 4 线( 俗称期北干线) 上跨越洞庭湖口的一座特大基桥梁．大桥总长57 8 4 ．5 m ，投资约5 ．5 亿元人民币主檀常水位宽约l4 0 0 m ，以I O X5 0 m 顶推连续箱梁及8 8 0 m 三塔双斜面素漂浮体系斜拉桥跨越．三塔大跨度斜拉桥为国内首次采用的结构形式，是嗣庭湖大桥最具特色的构造特点．主桥桥型设计主要考虑了如下几个因素：1 ．桥位处于洞庭湖入长江的咽喉地段，防洪泄洪尤为重要，水利部门要求在主河槽内布置跨径3 0 0 m 左右的主孔，副孔尽量采用大跨径2 ．桥位区域内为湖南省地震较为活跃地区，经鉴定桥位处地震裂度为V I I 度，困此必须考虑结构抗震3 ．岳阳市为历史文化名城，旅游盛地主桥的结构形式须与岳阳楼、君山及烟波倍渺的嗣庭湖景观协调．根据以上控制条件，结合考虑桥型新颖美观、技术先进、施工方便等因素，确定主桥为跨径3 1 0 m 三塔斜拉桥．桥孔布置为1 3 0 m + 2 X 3 1 0 m + 1 3 0 m ．主梁为肋板式断面、鬻浮体系，拉索为扇形双料面索，索塔采用宝石形空心塔．为丰富桥梁的立面视觉效果，中塔比两边塔高2 5 m ．桥蛩布置谭见田1 。

二、技术标准1 ．设计荷载：汽车一超2 0 级，挂车一1 2 0 ，人群3 ．5 k N ／m 22 ．通航标准：I n 级航道，通航净空B ×H = 7 0 m X l 6 m ，= 孔通航3 ．桥梁宽度：口= 2 3 m ，双向四车道4 ．地震烈度：V I I 度5 ．设计水位：H 0 3 ，x = 3 4 ．1 2 m6 ．通航水位：H 5 “一3 2 ．2 1 m7 ．设计流量I 酝Ⅻ= 4 96 0 0 m 3 ／s8 ．设计流速：口= 1 ．0 m ／s9 ．设计风速；“一2 8 m ／s1 0 ．计算车速：_ 一6 0 k m ／h—————————————————————————————————————————一2 2 2±旦兰墨型堡生塑旦±I 堡壅鎏垒查叁竖墨兰塑苎阻2 2 3尊■瞢■墨P h _ t 1 5 8剿【⋯f：：：=：l _ 一| 兰1：：：：：：要：：：：：：} 靛j= ：：：⋯=⋯裂爱装= ：：：：趣u藩畦昔坤蹭却4蕾高并；±璺堂堕兰鱼! 业! ±芏查叁垫塑墨壅一一————————————堑墨盟三、结构整体分析与试验研究1 ．鲒构的整体刚度采用三塔凛浮体系斜拉桥这一结构形式，首要问题是岿须采取技术措施提高结构的整体刚度，有效地控制主粱及索塔的变位．参阅国内外一些相关的技术资料，提高斜拉桥整体刚度主要措施有：a ．多塔塔顶用水平索相联}b ．纵向用A 型索塔；c ．斜索交叉布置-d ．加大主粱刚度．为了找到既经济叉满意的提高结构刚度的方法，对结构展开了深层次的优化．对不同的索距．亲截面积，边中跨比、梁高，加劲粱截面形式及索塔截面形式的不同组合进行了平面有限元分析，得出了多组主粱及塔顶位移值。

从分析结果可知，减小背索的索距、增加斜索的张力、增加索的截面积对改善结构的变形性能有良好的效果而单纯靠增加主梁刚度及塔身截面尺寸虽然也能降低塔粱的挠度值，但效果并不理想，且经济性差．因此，根据理论分析的结果，采取了以下几项措施来提高结构的整体刚度：a ．中塔塔根部顺桥向尺寸由8 ．0 r a 改戚9 ．o m }b ．主梁梁肋高度由2 ．0 m 改成2 ．5 m ；C ．背索索距由标准索距8 ．0 m 改成2 ×6 ．0 m ；d ．加大背索截面面积，背索采用3 1 3 } 7 m m 镀锌钢丝，处于低应力状态，井在中跨跨中及边跨梁端各加20 0 0 k N 压重，使背索张紧．由于采取了以上措簏，虽然斜索用钢量及混凝土数量略有增加，但结构的整体刚度提高了3 0 ％左右，取得了满意的效果袭1 列出了跨中及塔顶的挠度极值从表列数值可知各项挠度值均满足规范限值的要求．单位l c m表1f中辟片中量大向下挠度3 3 ．B中塔厦●大水平位移2 0 ．1I_ 逍辟膏中量大向下挠度1 2 ．BI逝塔顶最大术平位謦1 0 ．62 ．结构静力分析静力分析的且的主要是确定合适的拉索初张力，得出各施工工况及运营状态下索，粱，塔的内力、位移和应力，为设计配束提供嵌据．本桥采用平面杆系有限元程序对结构进行静力分析，离散结构共有2 9 8 十节点、4 0 5 个杆件单元，按施工顺序共分为9 2 个阶段进行计算．计算中考虑了以下因素：①确定初张力时应使主梁弯矩分配均匀；②温度变化考虑体系温差士2 0 ℃，拉索与粱塔温差士1 5 " 0 ，截面温差士5 ℃三种工况I③合拢之前塔梁采取临时固结措施，用掣。

精轧螺纹钢筋将主粱临时锚周在索塔横粱上{@ 拉索弹性模量接‘公路斜拉桥设计规范( 试行) ’第5 ．1 ．3 条进行换算，⑤汽车荷载冲击系散n = L0 3 }±堕壁垒堂全! ! ! ! ±堂查壅塑奎叁!．堡墨墨曼蔓@ 慵藏系数8 = 1 ．0 5 ，⑦挂篮自重力G 一1 5 0 0 k N ，施工荷载G ’一2 0 0 k N I@ 船舶擅击力按‘公路桥涵设计通用规范，附录四计算}⑨风力取值按‘抗风设计指南) 办理，基本风压5 0 0 P a ，@ 考虑辩亲的更换．3 ．结构动力分析动力分析主要进行了结构自振特性分析和地震作用下的反应谱分析．场地地面设计规准反应谱由广东省工程防震研究院提供动力计算模型与静力计算模型一致，但考虑了恒载内力引起的几何非线性和压弯效应．分析结果表明；一阶振型以主粱纵向漂移为主，自振周期? =7 ．1 3 s ，这种长周期振动对抗震是有利的在设计周期7 1 = 5 0 年，超越概率P —1 0 ％的地震反应谱( 相当于地震烈度v i i 度) 荷藏下结构响应散据见表2 ．表2集水平一善dl S ．8 9 c m地l 髟崎秉豉K wO ．1 1 5 6边塔珥位移1 4 ．3 7 c m巳计^ 恒中瘩嘎位#1 6 ．1 赴m边菩底毒矩2 ．3 6 ×i 0 牲N ·mt 辱■中塔底弯艇2 ．4 9 ×1 0 $ k N ·w t■太囊力丁- 。

96 9 0 W N4 ．非线性分析洞庭湖大桥主桥为三塔双斜面索漂浮伊系斜拉桥，柔性主粲四跨连续，连续长度达8 8 0 m ．属于空闻柔性结构，几何非线性的黪响不容忽略．因此，对结构进行非线性分析是必要的．非线性分析主要考虑了以下三方面曲因素：①主鬃和塔轴压力形成的p 一△效应( 粱拄效应，，@ 拉索垂度效应I@ 结构几何形状变化．计算结果表明全析非线性影响不大．主要原因是谈桥跨度为3 1 0 m ．处于比较适中的数量级} 另外结构本身在荷载作用下位移较小，不像悬索桥那样在荷载作用下发生很大的几何形状变化．非线性影响系敦见表3 ．寰3中畴集弯矩‘．4 4 ，‘主集崎中位善．< 2 “边辟集膏矩4 ．2 9 鬟素力可不予| ，直中塔嘎位善2 ．6 S H5 ．稳定性分析大桥主槊截面为肋板式结构自重大而抗夸惯矩小．而且整个枯梅为秉性赢次超静定结构，主架长细比很大．由于斜拉桥拉索产生的强大承平分力，使结构在施工和成桥状态、特别是在大悬臂状态时的稳定性就显得非常突出．因此，必须对各危险工况下的稳定性进行分桁验算，了解结构的稳定安全储备．在理论分析的基础上，还必须开展必要的结构试验，以验证理论分析的结果．该项工作正在进行中．6 ．结构试验洞庭湖大桥三塔斜拉桥方案为国内首次来用的新的瓣拉桥结构形式，桥型新颗、技术复主里坌些茎全! ! ! ! ±茎查塞堕丝圭叁———————————————————』堕型杂、规模宏大，在桥粱结构形式、理论分析和施工控制诸多方面均有所突破。

因此，有必要对结构整体及索、粱、塔各结构构件开展必要的结构试验和全面的理论分析研究，定性或定量地给出各参变量对结构的影响规律，全面优化结构设计，为设计及施工提供可靠的技术保证．并对结构的安全度作出科学的评价大桥主要开展“下几项结构试验：①1 ／3 0 缡尺比全桥铝合金模型试验：该模型试验包含以下几项内容a ．静力试验b ．动力试验C ．地震荷载作用下的拟动力试验d ．稳定性试验②索塔足尺节段模型试验③节段模型风嗣试验④地震作用时限位支座破坏试验以上各项试验研究均正在进行四、结构构造1 ．下部构造桥址处主槽常水位水深达1 6 m ～1 8 m ，洪水时水深达2 6 m ～2 8 m ，河床覆盖层平均厚度6 m ～8 m ，基岩强风化层厚度达l o r e 以上在这种条件下．采用沉井基础是不经济的因此，以钻孔灌注桩作为水下基础应该是最佳的选择1 ) 连接墩1 0 号与】4 号连接墩为单排桩柱式墩基础为3 ×D 3 0 0 c m 钻孔灌注桩{ 墩柱为3 XD 2 5 0 c r n 钢筋混凝土圆柱墩为简化构造、降低水下施工难度，不设承台及系粱，墩柱直接与桩基连接．盏粱断面尺寸曰×日一3 ．2 m ×2 ．2 m 。

2 ) 塔墩塔墩包括两座边塔墩和一座中塔墩图2 为中塔墩的一般构造图两边塔墩均采用l3 ×D 3 0 0 e m 钻孔灌注桩基础，中塔墩采用1 3 ×D 3 2 0 c m 钻孔灌注桩基础桩基均分三排梅花形布置，尽量减小承台尺寸及阻水面积桩基施工平台采用钢管桩与蛩钢撑槊结构．承台平面形状为菱形，高度日一6 ．0 m ，利用钢管桩平台悬挂套箱围堰施工套箱封底混凝±厚度／- ／= 0 ．5 m ．由于一个承台混凝土体积达2 7 0 0 m 3 ，采取分层浇注并布置冷却管的措施降低混凝土水化热．井在每分层顶面设÷l O m m 钢筋网防止混凝土收缩裂纹．由于承台的受力为复杂的空间应力状态，因此，在平面简化分析的基础上进行了承台的空间分析分析表明：承台内应力分布均匀，应力梯度小羌明显应力集中现象，冲剪效应比较徽弱，证明承台尺寸较为合理但在最不利荷载作用时，存在两个高应力区，其一位于承台顼面两塔腿之间的区域，另一个位于承台底面外倨桩以外的自由表面因此，在配筋时应对这两个区域予以加强．2 ．主粱主粱采用C 5 0 预应力混凝土连续肋板式结构，悬浇施工主粱全长8 8 0 m ，梁上标准索距及横梁标准问距均为8 ．0 m ．梁肋高H = 2 ．5 m ．梁寅占；2 3 m ，面积A 一1 5 ．4 m 2 ，惯性矩，一8 ．7 4 m ‘。

图3 为主粱标准断面图中固套难学套2 0 0 1 年学术交渣论文采桥莱工程篇◆一l 口口囤口口逊一3 I f j3 1 t 毒封^ SI l ，．F ，" ．s3 " 量s 1 7 ．s3 1 7啊2 尺寸●位I c 巾为减小边惫支座负反力，井使背索张譬l ；l 增加结祷刚度，在莱■及辞中分别麓加20 0 0 k N 的压重．粱蚺压重采用横梁加厚井加上观光台的结构1 力实现，跨中压重采取加厚台扼段相邻两段粱的集肋来实现．主粱为柔性多点弹性支承连续梁，调索后主粱弯矩较小，但在粱期及跨中附近的弩矩值较大．鬃内璜应力体系采用1 2 —1 5 ．2 4 低梧弛钢绞线．R ：一18 6 0 M P a ，Y M l 5 - 1 2 糟固体系．上缘布置2 柬，下缘布置2 柬均为通柬，局部区段用短柬补强．3 ．拉索拉索采甩国产+ 7 m m 低橙弛戗锌铜丝，砖= 18 6 0 M P a ，平行铜丝柬冷崎徽头■同体系．热挤p F ．套防护．拉索安全系数取2 ．5 ，成品索需用1 ．5 倍设计索力璜拉合格后方可上轿安装．碛震糠腔一选用粘弹性高阻尼糠腔．双辩面素呈囊形布置，塔上标准素魇l ：2 m ，集上标准囊臣8 ．0 m ．中塔每遗各2 2 对素，边塔每边各1 6 对素，加上塔下三对0 号索，全轿共1 1 1对索，总用铜tl4 4 0 t ．边塔索长L；1 4 5 ．6 ～4 9 ．钿l ，馈角口t 2 9 ．9 。

～7 7 ．9 ‘中塔索长工一1 9 9 ．6 ～6 5 ．8 m ■角口；Z 9 ．5 " ～8 0 ．9 ‘．单根索的量大素力N ～=6 0 0 0 “1 ．采用Y c w 9 0 0 盈千斤璜在塔上张拉拉索共分五种规格，见衰4 ．田3 尺寸单位．c h疆中国公路学会2 0 0 1 年学术交流论文集桥梁工程篇表4规格面积( ∞2 )对应棠号备注1 3 1 0 7 r a m1 0 08A 1 3 、¨．B 1 ⋯1 5 1 0 7 r a m1 1 6 ．2A 9 ．1 2 ⋯B ．1 5A 为边塔棠1 8 7 0 7 r a ml ‘3 ．9A o ．^ ．~ A ⋯B oB ●、9号，B 为中2 1 1 4 r ／r a m1 6 2 ．4A 卜s ，B 卜s塔棠号3 1 3 壬7 m m2 0 ‘．9A 1 ～2 tB 】～2由于背索截面是按刚度设计的，处于低应力状态，而且背索索长将近2 0 0 m ，易发生索振梁本身的振动也可能引起拉索的参数振动，在大悬臂状态下索振可能比较大因此，在设计中保留丁对可能发生的索振采取技术措施的余地另外，将0 号索在塔上的锚固点位置适当提高，改善了0 号索及附近索的受力状态，这有利于防止0 号索的过早疲劳破坏。

4 ．索塔索塔为C 5 0 预应力混凝土宝石形箱形塔自承台顶面箅起，中塔高1 2 5 m ，边塔高1 0 0 m ，采用提升模板逐段现浇施工设计时对索塔锚田段进行单箱单室及单箱双室截面比较，单箱双室截面具有较高的安全储备，因此，最终确定索塔锚固段采用单箱双室断面在最大索力作用下，前锚墙布置4 ×1 2 , } ．i l5 ．2 4 钢绞线，Y M 锚固体系；侧墙一共布置4 2 根如精轧螺纹粗钢筋，Y G M 锚固体系索塔锚固段详细构造尺寸及预应力筋布置见图4 在使用荷载作用下，前锚墙及侧墙均不出现拉应力，以确保结构不开裂并有足够的安全储备索塔锚固段的构造复杂，既有普通钢筋、劲性骨架，又有拉索锚固件及纵横交错的顶应力筋，为避免锚头削弱断面及施工方便，前锚墙的钢绞线锚头伸出到侧墙外侧锚固，封锚块作为索塔的装饰构造5 ．其它构造1 ) 伸缩装置综合考虑结构温度变形、地震作用时结构的纵向飘移及粱端转角等因素的影响，粱靖的伸缩变形可达? 0 e r n 左右，因此选用S S F B - - 8 8 0 伸缩装置，该伸缩装置伸缩量最大可达8 8 e m ，留有适当的富余伸缩量，以备调整施工误差及合拢时粱水平摆动的影响。

2 ) 拉力支座芝n≮翁＼= f／／＼、妄二逗j 二≯陵空- J幽圈4斜拉桥梁端在使用荷载作用下将会出现负反力，因此，在梁端分别设置两个拉力支座拉力支座采用钢绞线在梁端及盖梁之间预施压力来实现3 ) 主梁纵、横向限位装置为控制主梁在地震及风载作用下的纵、横向位移，须设置主梁纵、横向限位装置．但限位装置的具体构造、设置位置及刚度大小等问题正在进一步考虑完善，有关试验也正在进行．五、结束语洞庭胡大桥簏工图设计得到了湖南大学、长沙铁道学院、长抄交通学院等科研协作单位的大力支持，为设计提供了大量的试验数据和分析成果，在此谨致谢意．由于施工图设计尚未全部完成，文中提出的数据均是阶段性而不一定是最终的成果- 仅供同行参考．2 2 8钔1引10警1刮I划。