滹沱河特大桥主桥设计关键技术_张立欣.pdf

内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期Abstract:With the need of high-quality urban development,people pay more and more attention to urban bridge modeling.As abridge type with large span capacity,cable-stayed bridge plays an important role in long-span urban bridges.However,the towershape and cable layout of the traditional cable-stayed bridge are relatively simple,which is slightly insufficient for the modeling of im-portant urban landscape nodes.The main bridge of the Hutuo River Bridge adopts a roll-shaped tower,and the cables adopt a reversetension space twisted cable plane to create a better landscape effect.However,structural innovation also brings some design challeng-es,such as structural system selection,tower structure selection and internal section design,main beam design,cable selection,towerdecoration structure design,etc.In this paper,the calculation and analysis of the single tower space twisted cable plane cable-stayedbridge with the main span of 40 m+150 m+150 m+40 m are carried out,and the key technologies such as structural system,tower sizeand structural type,main beam structure,cable layout are compared and studied.In order to better research and design the bridge tow-er and tower decoration,the project uses catia software and rhinoceros software to carry out BIM forward design.The above researchresults and the application of BIM technology can provide a basis for the preliminary design and construction drawing design of thisbridge,and can also provide reference for other similar projects.Key words：single tower and single column cable-stayed bridge,bridge tower modeling,bridge tower structure,space cable文章编号：1005-0574-（2023）03-0032-07DOI:10.19332/ki.1005-0574.2023.03.008滹沱河特大桥主桥设计关键技术张立欣1，陈自能2，李国生3，李喆2（1.石家庄国有资本投资运营集团有限责任公司，河北石家庄050011；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092；3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710075）摘要：随着城市的高质量发展，人们越来越重视城市桥梁造型。斜拉桥作为一种跨越能力较大的桥型，在大跨径城市桥梁中占有重要地位。但传统斜拉桥的桥塔造型、拉索布置形式较为单一，作为城市重要景观节点，造型上略显不足。滹沱河特大桥主桥采用卷轴造型桥塔，拉索采用反拉的空间扭索面，打造较好的景观效果。然而结构创新也带来一些设计上的挑战，如结构体系选择、桥塔结构选型及内部截面设计、主梁设计、拉索选型、桥塔装饰结构设计等。文章以此桥为例，对主跨为40 m+150 m+150 m+40 m的独塔空间扭索面斜拉桥进行计算和分析，对结构体系、桥塔尺度及结构型式、主梁构造、拉索布置等关键技术进行了比较研究；同时为了更好地对桥塔及塔上装饰进行研究和设计，运用catia软件及犀牛软件进行BIM正向设计。以上研究成果及BIM技术运用可为本桥的初步设计及施工图设计提供依据，也可以为类似项目提供参考。关键词：独塔独柱斜拉桥；桥塔造型；桥塔结构；空间拉索中图分类号：U416文献标识码：A作者简介：张立欣（1978-），男，河北石家庄人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：道路与桥梁工程。1引言独塔空间扭索面斜拉桥是从独塔斜拉桥发展而来的一种桥型，桥塔更挺拔，景观造型更优。相比传统扇形布置的拉索，斜拉空间扭索面拉索使得远端的拉索效率更低，客观上需要加大塔高来提高拉索效率。与普通独塔斜拉桥相比，空间扭索面斜拉桥轻盈美观，拉索在顶部空间交叉、造型美观、富有动感，但拉索索力分布比较复杂，需要重新研究1。斜拉桥有全漂浮、半漂浮和固结三种不同结构体系，三种体系在塔墩底产生的水平力和弯矩差异较大。这种差异需要结合常规受力、结构便利性、抗震烈度等因素进行综合比选2。本文通过计算和构造比较，论证独塔空间扭索面斜拉桥的基本结构体系，同时结合交通需求、建设条件、景观造型需求等因素，对桥塔尺度及结构型式、主梁构造、拉索布置总体设计的主要内容进行比选论证。2总体布置及模型建立2.1工程概况本工程为复兴大街跨越滹沱河的节点控制性工程，道路等级为城市快速道，双向10车道+两侧人非，设32总第195期计车速为100 km/h。滹沱河特大桥主桥桩号范围：起点桩号YK10+334.700（ZK10+334.048），终点桩号YK10+714.700（ZK10+714.048）。主桥总体布置如图1所示，采用独塔独柱空间扭索面斜拉桥，跨径40 m+150 m+150 m+40 m=380 m，拉索布置间距为9 m。桥塔在桥面以上高度约123 m。桥塔因景观要求，增设卷边和塔冠，做成“卷轴”的造型。桥梁标准断面如图2所示，断面全宽67 m，按两幅布置，每幅宽度为29.5 m，两幅间设置8 m中央镂空区，桥塔（独塔）设置在中央镂空区，两幅之间有横梁相连。本文主要针对桥梁结构的特殊性，从结构体系比选、桥塔尺度及结构形式、主梁构造、拉索布置等方面论述设计关键技术。2.2模型概况利用Midas Civil（2021）软件建立梁格模型，材料参数按 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 33622018）及 公路钢结构桥梁设计规范（JTGD642015）取值，混凝土弹性模量34.5 GPa，泊松比0.2，线膨胀系数110-5，重度25kN/m3；拉索弹性模量195GPa，泊松比0.3，线膨胀系数1.210-5，重度78.5 kN/m3；钢箱梁采用Q345qD；钢塔采用Q420qD。模型如图3所示。3结构体系比选选择合理的桥梁结构体系是保证结构功能和安全的关键。不同的结构体系方式，会导致桥梁有不同的静力和动力反应，使结构有不同的受力特性。合理的结构体系可以改善结构在静力、动力荷载作用下的反应，减小伸缩缝、支座等装置的位移量和动力磨损。3.1固结体系和全漂浮体系从梁塔处结构支承、结构静力特点、结构动力特点等方面进行比选，具体见表1。从地震工况考虑，对两种体系在E2地震下的响应进行对比。塔顶位移、梁端位移、承台底面内力对比分别见表2、表3和表4。图1桥梁总体布置图（m）图2标准断面（m）图3总体计算模型（左）及支座设置（右）表1固结体系与全漂浮体系比较表结构体系梁塔处主梁支承结构静力特点结构动力特点固结塔梁固结，所有自由度均被约束结构的整体刚度较大，梁端和塔顶水平位移较小结构固有周期相对较短，地震内力反应相对较大全漂浮仅设横向抗风支座；由于索塔处第一对索间距较大，常设置0号索纵向风荷载及汽车荷载在梁端、塔顶产生较大水平位移结构固有周期长，减小了地震力；梁端及塔顶位移反应大表2E2下塔顶位移对比表结构体系固结体系全漂浮体系塔顶位移（m）纵向0.3310.403横向0.5940.479竖向0.0070.011表3E2下主梁梁端位移表结构体系固结体系全漂浮体系主梁梁端位移（m）纵向0.0590.288横向0.1260.130竖向0.2330.182表4E2下主塔承台底面地震响应内力最大值内力单项剪力Fx剪力Fy剪力Fz弯矩Mx弯矩My扭矩Mz单位kNkNkNkN mkN mkN m固结体系1.70E+059.56E+04-8.25E+04-1.89E+06-3.78E+06-8.83E+02全漂浮体系-9.94E+048.92E+04-8.81E+04-1.76E+061.40E+06-2张立欣等：滹沱河特大桥主桥设计关键技术33内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期独塔斜拉桥主要依靠主墩基础承担地震荷载3。从表4计算结果可以看出，固结条件下主梁纵向位移较小，但桥塔根部承受的顺桥向剪力和弯矩较大（固结后，顺桥向弯矩My绝对值是全漂浮体系的2.7倍，顺桥向剪力Fx绝对值是全漂浮体系的1.7倍）。经计算，固结体系下主塔2.0 m桩采用120D32的配筋形式（3.08%的配筋率）才能满足要求（或者将桩基根数增加50%）；而全漂浮体系下，2.0 m桩采用60D32的配筋形式即可（1.54%的配筋率）。全漂浮体系配合纵向阻尼，可将E2地震下主梁的纵向位移值控制在0.3 m内，工程上可接受4。从构造措施及设计难度看，本项目为独塔独柱，采用固结体系下塔柱的钢混结合段构造将非常复杂。本项目为宽桥，每幅宽度29.5 m，全宽67 m；桥塔附近每幅宽度32.5 m，全宽73 m；固结后有效的支承仅在7 m的塔区，剪力滞效应明显5。且桥塔为椭圆形断面，钢梁在固结位置的横梁为矩形断面。钢横梁与桥塔外筒壁板、内部隔板连接构造也非常复杂。综上，采用全漂浮体系（配合纵向阻尼），可在满足地震要求下节省基础规模，技术经济优于固结体系6。3.2半漂浮体系主要对半漂浮和全漂浮的结构体系、静力工况、主要位移等方面进行对比。结构体系方面，包括结构静力特点、结构动力特点、梁塔处结构支承等，见表5；静力工况方面，包括主梁应力、主塔应力、成桥主梁挠度、活载挠度等，见表6；主要位移方面，包括成桥竖向挠度最大值、活载竖向挠度最大值，见表7。半漂浮体系支座设置如图4所示。从以上计算结果看，全漂浮与半漂浮最大的区别在于成桥状态的竖向变形（前者490 mm，后者112 mm），两种结构体系在活载下的最大竖向变形相当（前者197 mm，后者183 mm）。成桥状态的竖向变形可通过设置预拱度解决。结构竖向刚度两者相当，半漂浮体系略优于全漂浮体系。从景观效果看，本项目为独塔独柱结构，若采用半漂浮体系，梁底的大横梁较为突兀。桥塔离江心岛较近，岛上看桥会明显的看到梁底横梁。综上，结合项目结构特点及景观需求，本次设计采用全漂浮