福州市鼓山大桥主塔结构分析与设计研究

2022-09-12

鼓山大桥及接线工程全长4812m, 为福州市南二环、东三环的联接线, 是晋安区与仓山区的重要交通枢纽。桥位位于福州市东区, 距上游鳌峰大桥约2500m, 距离下游拟建魁岐大桥3000m。其中鼓山大桥长1520m, 主桥跨度布置为50+150+235+35=470m, 主跨235m的独塔自锚式悬索桥, 桥面总宽42m, 为目前国内同类桥型桥面最宽的桥梁。

1 主塔结构

主塔设计为钢筋混凝土门式结构, 标高为罗零高程, 从承台顶算起至塔顶装饰区, 塔高136.2m, 桥面以上塔高为103m。主塔全结构包括下塔柱、下横梁、中塔柱、上塔柱及上横梁五部分。塔柱设计为宽度渐变的直塔柱, 横桥向宽为4.8m~6m, 顺桥向宽为6.85m~7.5m。

下塔柱高28.2m, 横桥向等宽6m、顺桥向宽7.362m~7.5m, 采用单箱单室截面, 基本壁厚为0.8m, 塔柱底设置3.0m实体段, 以缓和空心塔柱与实体承台结合部位的突变, 在实体段顶及与下横梁交界部范围内壁厚逐渐加厚。

中塔柱高92.66m, 横桥向宽为4.8m~6m、顺桥向宽为6.91m~7.362m, 设计为宽度渐变的直塔柱, 截面采用单箱单室截面, 基本壁厚为0.8m, 在与上、下横梁交界部一定范围内壁厚逐渐加厚。在中塔柱顶主索鞍下方设置有4m的实体段, 在桥面处设有1.8m×1.0m进人孔, 电力管线从该处通过, 在实体段下方与上横梁连接处也设有1.8m×1.0m进人孔。

上塔柱高15.34m, 为主鞍座及景观装饰区, 其塔柱区域高13.34m, 塔顶3m为景观装饰区。上塔柱横桥向宽4.8m、顺桥向宽6.85m~6.91m, 采用单箱单室截面, 基本壁厚为0.3m。上塔柱底为主鞍座区域, 横向设有3.2m×3.0m鞍座主缆出口, 纵向设有1.8m×1.0m进人孔。塔顶部设有0.3m厚的盖板, 盖板上设有进人孔。

下横梁高5m, 横桥向长36m, 顺桥向宽7m, 采用单箱单室截面, 在两竖向支座下方设置1.0m横隔墙, 横梁中间顶、底板厚度为0.8m, 腹板厚度为0.8m, 横梁边与塔柱交界部顶、底板厚度为1m, 腹板厚度为1m, 厚度变化经由竖向支座下方的横隔墙过渡。下横梁顶面留有1个进人孔。下横梁顶面布置有支座垫石及阻尼装置的固定垫块。

主塔上横梁高由中间的4.5m变至两边的7.3m, 高度变化采取底面圆曲线过渡方式, 圆曲线半径为63.18m, 横桥向长37.6m, 顺桥向宽5.8m, 采用单箱单室截面, 为配合主塔的整体造型, 截面顶、底板两侧面分别加宽布置有高0.6m, 宽0.1m的装饰带。上横梁顶面留有1个进人孔。

为了增加线条轮廓以改善外观, 塔柱矩形截面的4个角均做成20cm×20cm的倒角。

2 主塔计算分析

自锚式悬索桥桥塔是重要的承重构件, 其顶部承受主缆传下来的巨大反力, 主塔承受轴向力和弯矩, 并且还要承受悬索桥的恒载和活载以及加劲梁支承在塔身上的反力, 都将通过桥塔传递到下部的塔墩和基础, 桥塔同时还受到温度应力、风力和地震力的作用。由于主塔水平抗推刚度相对较小, 塔顶水平位移主要由中、边跨主缆平衡条件决定。主塔的塔底一般固定在刚度较大的基础上, 塔顶依靠主缆形成弹性支承。塔柱在纵向具有较好的可挠曲性, 从而使塔根及其基础结构在运营中或地震时的反作用抗弯负担减至最小。

自锚式悬索桥施工方法主要步骤是先施工主塔, 然后施工主梁, 最后架设主缆, 张拉吊索。

主塔受力分析模式:顺桥向纵向忽略横梁的作用仅计塔柱, 按塔底固结, 塔顶为弹性铰支承;横桥向则视为塔柱底固结的多层框架体系进行内力分析。

2.1 静力分析

主塔计算分析根据结构形成过程, 按以下顺序计算主要施工阶段, 即:下塔柱、下横梁、中塔柱、上横梁、上塔柱等主要步骤。计算分析中涉及的荷载有以下几项: (1) 恒载。 (2) 活载作用下主缆缆力及支反力。 (3) 温度影响力。 (4) 风力。

2.2 横向计算

横向计算中一般将主塔作为塔座固结的框架结构体系进行计算, 计算主要包括以下几种工况。

(1) 施工阶段。即独塔状态, 此阶段应根据各施工阶段的结构体系, 同时考虑结构体系的转换进行受力分析, 风力按施工期间的风力计算。

(2) 施工完毕。施工主缆及架梁状态, 此阶段为无活载阶段, 应根据恒载缆力, 无活载风力进行受力分析。

(3) 成桥状态。此阶段为成桥运营阶段, 按有活载风力计, 缆力为最大, 即运营缆力。

(4) 主塔受力分析还须考虑成桥状态前三种状态下对应的地震效应。

由此进行每个阶段各种组合工况的受力分析, 如表1所示。

各种工况中除恒载为强制组合外, 其余均为判别组合。计算结果表明, 主塔拉应力均在控制范围内。

2.3 主塔配筋

(1) 塔柱配筋。

塔柱截面竖向配有Φ32mm的受力主筋, 间距为15cm, 采用冷挤压套筒接头。箍筋采用Φ20mm, 拉筋为Φ16mm。

(2) 横梁配筋。

主塔横梁受力复杂, 下横梁除了受自重弯曲拉应力外, 还承受上、中塔柱传入的竖向压力, 为保证竖向压力自中塔柱顺畅传入下塔柱及满足局部承载能力需要, 下横梁布置了横向预应力筋, 共布有48根19-φs15.2预应力钢绞线, 上横梁共布有18根19-φs15.2预应力钢绞线。其公称抗拉强度fpk=1 8 6 0 M p a, 弹性模量Ep=195Gpa。锚下控制张拉应力为1395Mpa。

(3) 主缆鞍座底配筋。

主缆对塔柱产生很大的竖向力且集中, 为更好的承受压力, 在鞍座底板下布置了5层Φ16@10cm的钢筋网片。

3 结语

主塔结构设计须根据其受力特点, 并结合悬索桥的具体要求而设计, 它是以承压为主的受力构件, 顺桥向为使全桥外观简捷, 且为施工方便, 一般均设为单柱式;横桥向因要抵抗全桥风荷载, 而须具有一定的横向刚度, 并结合悬索桥的具体要求, 如主缆间距、主梁形式等, 其次要考虑美观方面的要求, 因为悬索桥作为一个地方的标志, 而桥塔则是这个标志中的标志。

摘要：福州市鼓山大桥主桥为独塔自锚式悬索桥。主塔顺桥向为单柱式, 横桥向为传统的门式桥塔, 塔柱向上逐渐缩小。本文基于笔者参与该工程设计的经验, 研究探讨了主塔结构分析与设计。

关键词：自锚式悬索桥,主塔,门式结构,设计