同升湖懸索橋的設(shè)計(jì)
2018-01-22
1工程概況
某湖人行橋位于旅游休閑區(qū)內(nèi)，是一座主跨為150m，全長192m的4跨連續(xù)式懸索鋼橋。其跨徑組成為：18m+10.35m+150m+13m。人行橋一跨跨過寬闊的湖面，連結(jié)著兩岸的青山。白天，桔紅色的鋼梁倒映在綠色的水面，夜晚，橋面上七彩的燈光形成一道五彩繽紛的彩虹，非常富有時(shí)代氣息。結(jié)構(gòu)輕盈，美觀大方，與周圍景色十分協(xié)調(diào)。本橋橋?qū)?.74m，‘П’鋼梁高0.75m。橋面板采用9cm厚、25cm寬的C30混凝土預(yù)制板，板間間距2.5cm。主橋塔高29.5m，主纜矢跨比為1/8。
2 設(shè)計(jì)構(gòu)思
由于選定橋位處湖水較深，且該湖本身為一大型水庫，水體必須得到保護(hù)。故我們?cè)谶M(jìn)行人行橋方案設(shè)計(jì)時(shí)只提出了中承式拱橋、懸索橋及單塔斜拉橋等幾個(gè)跨徑大、造型優(yōu)美的方案。考慮到與地形地貌的配合，各方案橋型的特點(diǎn)，雖然懸索橋造價(jià)相對(duì)最高，但從景觀設(shè)計(jì)的角度來看，懸索橋建成后的造型最優(yōu)美，在建設(shè)方的大力支持下，最后選擇了懸索橋?yàn)閷?shí)施方案。為了跨越湖畔的兩條道路以及施工的方便，最終跨徑組成為18m+10.35m+150m+13m，四跨連續(xù)。其總體布置、主梁橫斷面及橋墩平面。
3 靜力計(jì)算及構(gòu)造設(shè)計(jì)
由于懸索橋?yàn)樗鹘Y(jié)構(gòu)，屬于非線性體系，一般的平面線性結(jié)構(gòu)分析程序如QJX等無法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算?；诒締挝坏膶?shí)際情況，我們一方面采用平面計(jì)算，解決靜力方面的問題，確定各個(gè)構(gòu)件的尺寸、配筋、鋼板厚度等。另一方面與科研單位、大專院校聯(lián)合，著重解決動(dòng)力性方面如抗風(fēng)、抗震等問題。
由于鋼梁?jiǎn)挝恢亓枯^輕，本橋的活恒比大于1且絕對(duì)值偏小，計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)恒載索力很小，全橋的重力剛度很小。不得已放棄了方案設(shè)計(jì)時(shí)準(zhǔn)備采用的木制橋板，改為9cm厚、25cm寬的C30混凝土預(yù)制板以增大恒載索力和重力剛度。預(yù)制板用兩顆M18螺栓與鋼梁連結(jié)。預(yù)制板與鋼梁接觸面上涂抹了瀝青油膏以保護(hù)鋼梁的涂裝。
活恒比大于1且絕對(duì)值偏小帶來了兩個(gè)問題。一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度增加。后來從有關(guān)資料可知塞文橋活恒比僅0.19，恒伯爾橋活恒比僅0.25，博斯普魯斯海峽二橋活恒比為0.26。桁架式加勁梁由于梁高的關(guān)系雖活恒比較大，但其剛度較大可作彌補(bǔ)。二是大量行人在橋上行走時(shí)產(chǎn)生的主梁的晃動(dòng)及振動(dòng)。英國切斯特爾的一座總跨徑大約100m的Groves懸索橋在1977年一次劃船比賽時(shí)，大量激動(dòng)的人群涌到橋上，結(jié)果發(fā)生了比較大的晃動(dòng)。最近的例子是倫敦橫跨泰吾士河的千年橋在開放日因人流過大而出現(xiàn)的沒有預(yù)見到的橫向晃動(dòng)，不得不關(guān)閉進(jìn)行加固。因此我們也進(jìn)行了一些這方面的探討。最后的我們采取的措施是：利用抗風(fēng)纜與主纜平面形成一個(gè)小的夾角，產(chǎn)生水平力來加強(qiáng)橫向約束。同時(shí)另外預(yù)留了位置來加大抗風(fēng)纜與主纜平面的夾角，以增加抗力。同時(shí)請(qǐng)管理單位在兩個(gè)橋頭設(shè)置了比較醒目的告示牌，對(duì)一些“惡意”行為作了限制。
懸索橋的兩根主纜是主要的受力構(gòu)件，其安全關(guān)系到全橋的安全，且無法更換。參照國內(nèi)外的一些成功經(jīng)驗(yàn)，我們選用了廠制斜拉橋?qū)Ｓ美骷芭涮族^具，按斜拉索國標(biāo)生產(chǎn)，安全系數(shù)K≥3.0。出廠前按規(guī)定預(yù)拉。吊索采用優(yōu)質(zhì)中15.2無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并考慮了更換的可能，其間距為375cm。索夾具采用45號(hào)鑄鋼制造。‘П’型鋼梁高75cm，中心距350cm，采用國產(chǎn)16Mnq優(yōu)質(zhì)鋼材，鋼板厚均為1cm。為增大主梁的抗扭剛度，橫隔梁間距加密至187.5cm。橋臺(tái)采用C25砼，橋塔、橫梁、錨碇及橋墩采用C30砼，塔頂鞍座下1m高范圍采用了C30鋼纖維砼，其它按規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4 風(fēng)致振動(dòng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)
由于本橋梁高與跨徑比為1/200，寬跨比為1140，均超過≤公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范≥(JTJ025-86)第1.5.34條中的規(guī)定。由于活恒比大于1且恒活載絕對(duì)值較小，對(duì)風(fēng)致振動(dòng)比較敏感，而上述指標(biāo)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性密切相關(guān)，因此我們對(duì)本橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)比較重視。
根據(jù)≤公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范≥(JTJ021-89)中全國基本風(fēng)壓分布圖，該地區(qū)的基本風(fēng)壓為500Pa，推算出相應(yīng)的基本風(fēng)速為.Ulo=23.6m/s。作||類場(chǎng)地及高度修正(Z=8.12m)后，100年重現(xiàn)期橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Ud=22.8m/s，50年重現(xiàn)期橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Ud=21.7m/s。
根據(jù)≤公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南≥計(jì)算可得50年重現(xiàn)期顫振檢驗(yàn)風(fēng)速Uα=35m/s，馳振檢驗(yàn)風(fēng)速U∽α=28m/s。
采用Ansys空間有限元?jiǎng)恿Ψ治龀绦蚍治霰砻鳎蓸驙顟B(tài)下一階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率為0.5458Hz，一階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率為0.4071HZ；一階對(duì)稱豎向彎曲頻率為0.3820HZ；一階反對(duì)稱豎向彎曲頻率為0.29676 HZ；由≤公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南≥6.1.5條，其顫振安-全等級(jí)可根據(jù)下式判斷。
minT ho-1=[Uα]/ffB=35/0.4071/3.90=22.0446＞7.5
參照≤公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南≥6.1.5.1條，同升湖橋顫振安全等級(jí)為IV級(jí)，必須采取抗風(fēng)措施，并進(jìn)行全面的節(jié)段模型試驗(yàn)、氣動(dòng)選型、顫振分析。
同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了主橋抗風(fēng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)及分析研究，主要是采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)。按相似性原理節(jié)段模型縮尺比為1/17，長寬比取4，試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室TJ-2號(hào)邊界層風(fēng)洞進(jìn)行。第一步，進(jìn)行動(dòng)力特性分析及各種氣動(dòng)參數(shù)的測(cè)定。第二步，通過節(jié)段模型風(fēng)振穩(wěn)定性檢驗(yàn)同升湖大橋的風(fēng)振性能。結(jié)果在a=3°迎角下，75 m/s時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)顫振。在a=0°及a=-3°迎角下，27m/s及38m/s時(shí)發(fā)生豎向馳振，且a=0°時(shí)狀態(tài)極不穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)攻角極為敏感，稍有擾動(dòng)立即發(fā)散，因此本橋不能滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求。但試驗(yàn)表明在自然風(fēng)場(chǎng)中本橋不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振。
為了滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求，我們擬定了三種改善方案作比選。①在原設(shè)計(jì)斷面上增加導(dǎo)風(fēng)板或在腹板上開導(dǎo)風(fēng)孔②在原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上增加抗風(fēng)纜③在原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上增加抗風(fēng)纜及中央扣。
方案一、在a=0°，a=3°及a=-3°迎角下，成橋狀態(tài)下顫振臨界風(fēng)速分別為25m/s，25m/s和18m/s。試驗(yàn)表明，在原設(shè)計(jì)斷面上增加導(dǎo)風(fēng)板或在腹板上開導(dǎo)風(fēng)孔不能滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求。但導(dǎo)風(fēng)孔可降低靜風(fēng)壓力。
方案二、在a=0°迎角下，成橋狀態(tài)下弛振臨界風(fēng)速為29m/s，稍大于馳振檢驗(yàn)風(fēng)速Ucg=28m/s。試驗(yàn)表明，此狀態(tài)極不穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)攻角極為敏感，稍有擾動(dòng)立即發(fā)散。故在原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上增加抗風(fēng)纜依然不能滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求。
方案三、在a=0°迎角下，成橋狀態(tài)下弛振臨界風(fēng)速為41m/s，大于馳振檢驗(yàn)風(fēng)速Ucg=28m/s，可以滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求。于是我們按方案三實(shí)施。
后來通過我們?cè)诖合膬杉緦?duì)幾次大風(fēng)時(shí)的觀測(cè)以及在橋上的親身體驗(yàn)，可以明顯發(fā)現(xiàn)有、無抗風(fēng)纜的差別。無抗風(fēng)纜、5∽6級(jí)風(fēng)時(shí)，主梁有明顯的豎向波浪位移，且橫向位移達(dá)10cm以上。十幾個(gè)人在橋上行走時(shí)就有較大的振動(dòng)感。給人感覺不好。加了抗風(fēng)纜后上述現(xiàn)象基本消失了，證明了抗風(fēng)纜的設(shè)置的確提高了同升湖大橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性。
5 鋼梁防腐處理
5．1涂層體系的選配
鋼梁外壁是指頂?shù)装搴透拱宓耐獗砻?。由于這些板的外表面暴露在大氣中，是鋼梁最容易腐蝕的地方。但其表面平滑，便于涂裝施工。本橋根據(jù)大氣環(huán)境條件和使用要求，采用比較先進(jìn)的長效多層油漆體系對(duì)鋼梁外壁實(shí)施保護(hù)。
5．2油漆涂裝的時(shí)機(jī)和方法
鋼梁各層涂漆是在梁節(jié)段制作完工后，吊裝之前在全天侯的廠房?jī)?nèi)進(jìn)行。最后一道面漆是在鋼粱整體化焊接成橋后，利用支架在跨間露天進(jìn)行。
5．3涂裝施工
涂裝施工主要包括表面處理、涂裝、成膜、干燥和固化等過程。涂膜的質(zhì)量與表面處理好壞、涂料調(diào)配方法、涂裝方法、涂裝環(huán)境、涂膜干燥和固化方法等因素密切相關(guān)，其中表面處理好壞對(duì)防腐涂裝的效果及耐久性影響最大。而且是性能越優(yōu)良的涂料，對(duì)表面處理的好壞程度越敏感。因此我們專門為涂裝施工制訂了施工要求，并要求施工單位嚴(yán)格遵守。
6施工過程
本橋施工采用節(jié)段法施工，利用纜吊吊裝主纜、主梁及砼橋面板。施工順序如下①采用人工挖孔的方法施工橋塔樁基礎(chǔ)，其它墩及錨錠基礎(chǔ)則采用明挖施工②施工砼橋臺(tái)、橋塔、橋墩及錨碇。同時(shí)在工廠內(nèi)焊接、組拼主梁節(jié)段，并對(duì)鋼構(gòu)件作初步防腐處理。在預(yù)制場(chǎng)預(yù)制砼橋面板。在主纜制造廠制造主纜、吊索及索夾具并在廠家做熱鍍鋅處理，外涂防銹漆③待各構(gòu)件砼強(qiáng)度達(dá)到100％后開始安裝主梁。主要吊裝設(shè)備是一臺(tái)2(噸)200m跨徑的單跨纜索吊機(jī)。首先安裝主纜，吊索及索夾具。然后從跨中向兩邊橋塔吊裝梁段，節(jié)段間臨時(shí)鉸接，安裝完后再按吊裝順序焊接成形。安裝的關(guān)鍵是確定安裝前跨中主纜的高程。經(jīng)過我們大量的計(jì)算，加上施工單位的緊密配合，精心組織，最后跨中高程與設(shè)計(jì)值僅差4cm④對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行后期防腐處理，安裝砼橋面板、欄桿、橋臺(tái)伸縮縫及抗風(fēng)纜。其中抗風(fēng)纜的安裝比較復(fù)雜，首先對(duì)用作抗風(fēng)纜的鋼絲繩作一次予張拉，消除其大部分松弛。安裝抗風(fēng)主纜及吊桿后，按設(shè)計(jì)要求對(duì)抗風(fēng)主纜分級(jí)施加200(KN)張力，在張拉過程中，對(duì)橋面標(biāo)高的變化作了同步觀測(cè)。最后調(diào)整各吊桿長度至計(jì)算值⑤驗(yàn)收，交付使用。
7成橋試驗(yàn)
全橋所有構(gòu)件安裝完畢后，在施工單位的配合下，我們做了一次簡(jiǎn)單的成橋試驗(yàn)。用一臺(tái)5(KN)重的推車從橋的一端勻速地移到橋的另一端，分別測(cè)量主梁上八點(diǎn)的位移。主梁最大的位移是推車在跨中的時(shí)候，約2(cm)。試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。
8結(jié)語
8．1懸索橋作為一種軟索結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)設(shè)計(jì)非常重要，而本橋嘗試著利用索結(jié)構(gòu)來滿足高跨比1/200、寬跨比達(dá)1/40、活恒比大于1的懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的要求，目前國內(nèi)也不多見，效果明顯。具有較高的研究水平和科研價(jià)值，處于國內(nèi)先進(jìn)水平。
8．2對(duì)于類似于懸索橋等柔性結(jié)構(gòu)，行人的行走行為對(duì)結(jié)構(gòu)的影響需作進(jìn)一步研究。
