菲律宾卡马拉尼甘大桥主桥总体设计.pdf
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1、世界桥梁 年第 卷第期(总第 期)W o r l dB r i d g e s,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:湖南省交通运输厅科技计划项目()P r o j e c to fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yP l a no fD e p a r t m e n to fT r a n s p o r t a t i o no fH u n a nP r o v i n c e()作者简介:张龙(),男,高级工程师,年毕业于华东交通大学土木工程专业,工学学士,年毕业于湖南大学桥梁与隧道工程专业,工学硕士
2、(E m a i l:q q c o m).D O I:/j i s s n 菲律宾卡马拉尼甘大桥主桥总体设计张龙,曹赟干,陈亮,乔秋衡(湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南 长沙 )摘要:菲律宾卡马拉尼甘大桥跨越卡加延河,主桥为()m三塔四跨双索面预应力混凝土部分斜拉桥.针对桥址地震烈度高、基本风速高和主墩刚度大的特点,采用塔梁固结、塔墩分离结构体系,支座采用钢阻尼隔震支座和纵向黏滞阻尼器的组合约束体系;主梁采用单箱单室斜腹板变截面预应力混凝土箱梁;桥塔采用外倾双柱式混凝土塔,塔高 m;斜拉索采用空间扇形双索面布置形式,单根钢绞线公称直径 mm,抗拉强度标准值 MP a,索梁锚固采用倒梯形
3、锚固块全隔板的锚固形式;主墩采用实心矩形截面,基础采用群桩基础.有限元计算分析表明,结构受力均满足AA S HT O规范要求.关键词:部分斜拉桥;预应力混凝土结构;桥塔;锚固块;抗震;桥梁设计中图分类号:U ;U 文献标志码:A文章编号:()工程概况 桥梁背景卡马拉尼甘大桥(C a m a l a n i u g a nB r i d g e)位于菲律宾卡加延省阿帕里市,连接卡加延省马尼拉北路和卡加延河谷路,横跨卡加延河,是由菲律宾公共工程和公路部(D PWH)投资建设的首座部分斜拉桥,为菲律宾北部的地标性建筑,大桥的建设对地方旅游景区开发具有促进作用,因此需优先考虑与环境融合、景观效果好、工
4、程造价低的桥型方案.卡马拉尼甘大桥设计采用美国A A S HT O规范,跨径布置为()m()m()m,全长 k m,主桥为三塔四跨双索面预应力混凝土部分斜拉桥,引桥为预应力混凝土连续箱梁桥.卡马拉尼甘大桥主桥立面布置如图所示.建设条件()地形地貌:桥梁横跨卡加延河,卡加延河流图卡马拉尼甘大桥主桥立面布置F i g E l e v a t i o nv i e wo fm a i nb r i d g eo fC a m a l a n i u g a nB r i d g e域绵延 k m,为菲律宾最大的内河流,桥址距离卡加延河的沿海出口不到 k m,流域内最高海 拔 m,桥位处河床地势平坦,
5、海拔 m(马尼拉港B M ,菲律宾马尼拉港高程基准).()气象特征:桥址区具有季风型热带雨林气候,高温多雨,湿度大,台风多,年均气温,年降水量 mm.()地质条件:桥址地质由冲积阶地和冲积填料组成,地下 m范围内由细砂组成,有时夹杂砾石和卵石,上部碎屑岩主要为薄至中层的灰色粉砂岩和硬化良好的泥岩;下部碎屑岩主要由硬化良好的棕灰色长石砂岩和少量层间砾岩组成.()地震情况:菲律宾板块属地震活跃区域,是世界上地震最活跃的国家之一,桥址位于高烈度区,历史发生地震频次高.主要技术标准()设计车速:k m/h.()设计荷载:HL .()桥梁分类:关键桥梁C 级.()主桥标准宽度:m(人行道)m(拉索区)m
6、(防撞护栏)m(行车道)m(防撞护栏)m(拉索区)m(人行道)m.世界桥梁 ,()()通航净空:宽 m,高 m.()设计水位:通航水位 m;施工水位 m.()地震动峰值加速度:g.总体设计 约束体系约束体系对部分斜拉桥的整体受力行为影响较大,选择合理的约束体系是改善结构抗震性能较为直接和有效的措施 .部分斜拉桥的约束体系可采用刚构体系和支座体系种类型,其中支座体系又可分为塔墩固结、塔梁分离方式和塔梁固结、塔墩分离方式.刚构体系结构刚度大,但温度和收缩徐变效应较大;支座体系能有效释放温度效应,但结构刚度小、变形大,需设置大吨位支座 .为了提高桥墩的防撞能力,该桥主墩设计截面尺寸较大,主墩最高墩高
7、仅 m,纵向刚度大,而桥址具有地震烈度高、基本风速高的特点,因此不宜采用刚构体系.经研究,为减小结构的地震响应,改善结构在地震作用下的内力和位移反应,该桥采用塔梁固结、塔墩分离方式,支座采用钢阻尼隔震支座,顺桥向设置黏滞阻尼器,在E 地震作用下,支座抗剪销剪断,钢阻尼隔震支座在横桥向提供减震耗能作用,黏滞阻尼器在顺桥向减震耗能并有效减小主梁位移.主梁由于该桥设计为双向车道,考虑经济性,主梁设计采用单箱单室斜腹板变截面预应力混凝土箱梁,材料根据美国规范A S TM A /A M 和A S TM A 选 取,混 凝 土 强 度 等 级 为g r a d e .箱梁标准顶板宽 m(含两侧人行道),悬
8、臂长 m,设 双向横坡.受通航净空限 制,墩 顶 梁 高 m,高 跨 比/,顶 板 厚 m,底板厚 m,腹板厚 m.跨中梁高 m,高跨比/,顶板和底板均厚 m,腹板厚 m.主梁横断面如图所示.为保证混凝土箱梁始终处于三向受压状态,降低开裂风险,主梁采用三向预应力布置,纵向预应力束根据张拉阶段的不同分为前期顶板束、前期腹板束、后期边跨顶底板束、后期中跨顶底板束.竖向预应力束长度较短,为减少预应力损失,采用低回缩二次张拉预 应力锚固系 统.三向 预应力束采 用s mm预应力钢绞线,钢绞线抗拉强度标准值fp k为 MP a,弹性模量Ep为 MP a,张拉控制应力为 fp k.图主梁横断面F i g
9、C r o s s s e c t i o no fm a i ng i r d e r 桥塔桥塔是斜拉桥的关键受力构件之一,其造型除应考虑景观协调外,还应力求受力合理.设计阶段对最初桥塔构造外形进行了受力优化,将斜拉索与塔柱空间交错、塔柱弯曲优化成斜拉索与塔柱纵向共面,传 力路径更为直 接;将塔底 截面宽度由 m优化为m(见图),提高了塔底截面刚度.图桥塔构造F i g P y l o nc o n f i g u r a t i o n根据最不利荷载组合,比较桥塔在成桥状态和运营状态下横向弯矩、应力、横向位移等关键指标,结果如表所示.由表可知:对桥塔进行优化后,成桥状态和运营状态下塔中和塔
10、底横向弯矩、塔顶横向位移均有明显的降低,塔中由受拉转为受压,且塔柱全截面压应力分布较均匀.菲律宾卡马拉尼甘大桥主桥总体设计张龙,曹赟干,陈亮,乔秋衡表桥塔优化前、后关键指标对比T a b l e C o m p a r i s o no fk e y i n d i c a t o r so fp y l o n sb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n阶段桥塔结构塔顶横向位移/mm塔中塔底横向弯矩/(k Nm)最大应力/MP a最小应力/MP a横向弯矩/(k Nm)最大应力/MP a最小应力/MP a成桥状态优化前 优化后 运营状态
11、优化前 优化后 注:“”为压应力,“”为拉应力.为提高景观效果,塔轴线采用外倾双柱式混凝土塔,塔高均为 m(含塔顶自由段),高跨比约/,上塔柱中心线设R m外圆弧,横截面四周设R c m圆弧倒角,距塔底m至塔顶为 m(横桥向)m(顺桥向)的等截面,塔底m范围横桥向宽度自下而上由m渐变到 m,混凝土强度等级为g r a d e .斜拉索斜拉索整体采用空间扇形双索面布置形式、环氧涂层钢绞线拉索体系,单根钢绞线的公称直径为 mm,公称面积为 mm,抗拉强度标准值fp k为 MP a,弹性模量为 MP a.根据索力分别采用 s mm、s mm和 s mm三种型号,每个塔两侧设对,全桥共 根斜拉索.斜拉
12、索在梁上采用节段间隔布置,梁上索距 m,索梁锚固于主梁悬臂梗腋处,并设 c m厚隔板;塔上索距 m,采用分丝管式索鞍通过,可有效分散、传递斜拉索索力,改善塔内局部应力分布.为克服桥塔两侧斜拉索产生的不平衡力,在索鞍两侧交叉设置可更换的抗滑键.索梁锚固形式该桥斜拉索锚固于主梁悬臂梗腋处,与腹板相连接,主梁的恒、活载均需通过此处传递至斜拉索,受力状态复杂.参考常规锚固块的设计,考虑不同锚固块形式、隔板方式及厚度、预应力束布置等进行受力对比研究.选取总体计算中最大索力作为锚固块的外荷载,采用有限元软件M I D A SF E A进行局部分析,荷载采用面压力加载方式,锚固面根据斜拉索的倾角调整,保证锚
13、固面与斜拉索方向垂直.不同索梁锚固形式索梁锚固区主应力计算结果如表所示.由表可知:倒梯形锚固块优于三角形锚固块;有、无隔板对锚固块受力影响较大,隔板主要起到传递力、使全截面共同受力的作用,且隔板整体应力水平较低;预应力的配置对锚固块应力水平贡献不大.该桥最终采用索梁锚固形式作为索梁锚固构造.表不同索梁锚固形式索梁锚固区主应力计算结果T a b l e C a l c u l a t e dp r i n c i p a l s t r e s s e s i nc a b l e d e c ka n c h o r a g ez o n e so fd i f f e r e n t a n
14、 c h o r i n gp a t t e r n s索梁锚固形式编号锚固块隔板主应力/MP a形式高度/m方式厚度/c m主拉应力 主压应力三角形 无隔板 半隔板 全隔板 全隔板 倒梯形 全隔板 全隔板 全隔板 注:仅索梁锚固形式设预应力,其余均不设预应力.锚固块最大主拉应力出现在与腹板连接处,沿深度方向发展不大,很快降低为MP a,仅对主拉应力大的区域采用普通钢筋进行补强.锚固块整体压应力水平较低,局部应力通过锚垫块向四周范围扩散至MP a(见图),通过设置锚垫块,可有效降低局部压应力.图索梁锚固形式锚固块主压应力云图F i g M a i np r i n c i p a l s t
15、 r e s sn e p h o g r a mo fa n c h o rw e d g eo fc a b l e d e c ka n c h o r i n gp a t t e r n 桥墩及基础主墩采用变截面钢筋混凝土实心矩形墩,外轮廓作 圆 形 倒 角 和 凹 槽 处 理,横 桥 向 尺 寸 为 m,顺桥向尺寸为m,墩高为 m.主墩下设m厚的四棱台墩座和 m厚承台,承台平面尺寸为 m m,承台下设 根 m群桩基础.过渡墩采用独柱矩形墩,墩柱截面尺寸为 m(横桥向)m(顺桥向),墩高 m.过渡墩墩柱下设 m厚四棱台墩座和 m厚承台,承台平面尺寸为 m m,承台世界桥梁 ,()下设
16、根 m桩基础.结构计算 结构静力分析 有限元模拟采用有限元软件M I D A SC i v i l进行主桥结构静力计算,计算模型共包括 个节点、个单元.其中,斜拉索采用只受拉桁架单元模拟,主梁、桥塔等采用梁单元模拟.根据AA S HT O规范,计算荷载考虑恒载、活载、收缩徐变、温度作用、风荷载、不均匀沉降等,并进行最不利荷载组合.计算结果主梁验算内容包括极限承载力(见图)、施工阶段和运营阶段应力验算(见表).由验算结果可知,主梁极限承载力、施工阶段和运营阶段应力验算均满足规范要求.图强度极限状态下主梁抗弯强度包络图F i g F l e x u r a l s t r e n g t he n
17、 v e l o p eo fm a i ng i r d e ru n d e rs t r e n g t hl i m i t s t a t e表施工阶段和运营阶段主梁应力验算结果T a b l e C a l c u l a t e ds t r e s s e s i nm a i ng i r d e ra t c o n s t r u c t i o na n ds e r v i c e s t a g e s阶段指标有限元计算值/MP a规范计算限值/MP a施工阶段压应力 拉应力 主拉应力 运营阶段压应力 拉应力 主拉应力 根据招标文件要求,斜拉索的最大应力应小于斜拉索
18、抗拉强度标准值的.经验算,斜拉索在施工阶段最大应力为 MP a,运营阶段最大应力为 MP a,均小于 fp k MP a,满足要求.根据A A S HT O规范,采用极限荷载组合中活载部分进行挠度验算,并计入动荷载附加值,主跨跨中挠度 mm,小于L/mm的规范限值(L为主跨跨径),结构刚度满足规范要求.地震响应分析根据抗震规范,该桥属C 级桥梁,在E 地震作用下,结构总体反应在弹性范围,基本无损伤,震后可立即使用;在E 地震作用下,发生有限损伤,震后只需简单修复即可继续使用.E 和E 设计地震动的重现期分别为 年、年,对应超越概率分别为 年 和 年.有限元模拟采用有限元软件S A P 建立桥梁
19、动力分析模型(见图),桥塔、主梁、桥墩和承台均采用梁单元模拟,斜拉索采用杆单元模拟,以上单元均考虑了恒载对几何刚度的影响,二期恒载以均布质量形式施加在主梁单元上,两边各考虑一联引桥对主桥动力特性的影响,桩基础采用承台底六弹簧模拟,支座采用钢阻尼隔震支座和纵向黏滞阻尼器的组合约束体系.根据抗震规范,抗震分析中需考虑 活载的作用,活载考虑最不利情况为 车道荷载 货车荷载,组合系数.车道荷载以分布质量形式施加,货车荷载以集中质量形式施加.图桥梁动力分析模型F i g M a i nb r i d g ed y n a m i ca n a l y s i sm o d e l 动力特性地震波的周期与
20、频率成反比关系,其频率大小可直接反映减震效果的有效性.主桥基本动力特性如表所示.由表可知:结构前 阶自振周期为 s,前几阶振型以主桥主梁竖弯、引桥纵向和横向变形为主,主梁竖弯均伴随桥塔的纵向弯曲.计算结果采用非线性时程分析方法进行桥梁结构的地震响应分析,地震输入方式采用纵向横向竖向,其中竖向地震动分量取值按水平分量的 计.该桥地震安评报告根据概率地震危险性分析生成的一致风险谱,通过小波分析方法对所选取的原场地震动进行修正,最终得到地震分析的条地震动时程曲线,地震响应分析结果取条地震动时程反应的平均值.菲律宾卡马拉尼甘大桥主桥总体设计张龙,曹赟干,陈亮,乔秋衡表主桥基本动力特性T a b l e
21、 F u n d a m e n t a l d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm a i nb r i d g e阶数周期/s频率/H z振型 主桥反对称竖弯 左侧引桥纵飘 左侧引桥横飘 右侧引桥横飘 右侧引桥纵飘 左侧引桥平面转动 右侧引桥平面转动 主桥左侧梁端橫飘 主桥右侧梁端橫飘 主桥对称竖弯由于篇幅有限,仅列出E 地震作用控制结构设计的主墩桩基础验算结果,如表所示.由表可知:纵向竖向、横向竖向E 地震作用下,最大弯矩与最小轴力工况的桩基能力弯矩均大于需求弯矩,能力需求比均大于,表明主墩桩基在E 地震作用下均保持在弹性范围内,满足
22、抗震设防目标.表E 地震作用下主墩桩基强度验算结果T a b l e C a l c u l a t e ds t r e n g t ho fp i l e s s u p p o r t i n gm a i np i e ru n d e rE e a r t h q u a k e s地震输入方式验算位置组合轴力/k N需求弯矩/(k Nm)能力弯矩/(k Nm)能力需求比纵向竖向 号墩 号墩 号墩 横向竖向 号墩 号墩 号墩 施工方案在钢栈桥打桩平台施工主桥桩基后,采用钢吊箱围堰施工桥塔承台和过渡墩承台.桥塔塔柱采用爬模分节浇筑施工,为确保桥塔的线形及受力安全,塔柱施工过程中采用对拉
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