【文章內容簡介】 計控制條件 景觀效果要求橋梁能與周圍景色相輔相成，協(xié)調一致。 通航凈空根據(jù)通航論證報告，通航凈空取值如下：設計最高通航水位采用年最高潮位累積頻率為 5%的水位為 。螺洲大橋單孔雙向通航孔最小凈寬為 120m，才可以滿足規(guī)劃船舶的通航要求。螺洲大橋設計通航凈高為 8m。飛行凈空限高：+ 便捷施工由于螺洲大橋大部分橋墩位于水中，水中引橋下部結構采用鋼圍堰和草袋圍堰施工，上部結構采用預制安裝的方法施工。主橋部分要保證正常通航，因此上部結構采用支架施工難度較大，最好采用懸臂澆注或者預制吊裝的方法施工。 橋型方案設計橋梁技術發(fā)展到今天，我們可將其分為拱式結構、梁式結構和懸吊結構三大類，此三大類橋型的經典結構都有著其明顯適用的技術經濟跨度。鑒于跨徑要求大于120m，對于此跨度，這三類結構形式均可作為考慮對象。但考慮到橋位屬軟基地區(qū)，拱式結構亦不具備技術經濟的優(yōu)勢，而由于飛行靜空限高較低，一般的斜拉橋不能滿足要求。因此，本項目技術經濟可行的方案只能考慮梁式結構、懸吊結構。 三塔部分斜拉橋方案華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文9就螺洲大橋的飛行限高要求而言，只適合較小跨徑的矮塔部分斜拉橋。主橋跨徑采用（85+140+140+85）=450m 。橋型平面布置圖如下圖 ： 圖 主橋橋面橫向凈寬度 37m，故采用混凝土雙箱單室截面形式。斜拉索面選擇為仿單索面體系，兩索面對主梁已經提供了一定的抗扭剛度。為了更安全可靠、進一步提高仿單索面體系扭轉剛度和有效解決主梁與塔墩連接構造細節(jié)處理，本橋采用塔梁固結、中間主塔墩梁固結、另兩個主塔墩梁分離的體系，墩頂設支座，使部分斜拉橋的受力更加接近梁式體系，受力明確，結構簡單。 連續(xù)剛構方案在 120m 左右的跨徑里，連續(xù)剛構橋的技術成熟，很具有競爭力，結構簡單明了。主橋跨徑采用（85+140+140+85）=450m 。橋型平面布置圖如下圖 ：華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文10圖 由于橋面橫向較寬，故采用分幅式橋梁結構，每幅橫斷面布置為 （護欄）+2. 5m（人行道）+（非機動車道）+ （車行道）+（護欄）橋面設177。2%的橫坡。上下行分離，中間間距為 。采用雙薄壁墩。 三塔自錨式懸索橋方案主橋為三塔自錨式懸索橋，跨徑布置為：（80+168+168+80=496）m。主跨主纜理論垂度為 28m，理論垂跨比為 1：6；邊跨主纜理論垂度為 ，理論跨度為，理論垂跨比為 1： 。橋型平面布置圖如下圖 ：華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文11圖 自錨式懸索橋是主纜直接錨固在主梁上；主梁承受主纜傳遞的水平壓力；形成由加勁梁（主梁） 、吊索、主纜、主塔、鞍座、錨固構造等構成的柔性懸吊組合體系。成橋后，主要由主纜和主塔承受結構的自重，結構體系共同承受外荷載作用，主纜、主梁受力按剛度分配。主橋為三塔自錨式懸索橋，主梁由四跨組成，分別是 80m（邊跨） +168 m（主跨）+ 168 m（主跨）+ 80m（邊跨） ，主梁在中塔下橫梁處設豎向支座和縱、橫向限位支座，限制主梁三向線位移；在邊塔下橫梁處設豎向支座和橫向限位支座，限制主梁豎向、橫向線位移。主纜也由四跨組成，采用有限位移體系。主纜經中塔、邊塔塔頂鞍座、邊墩頂散索鞍座轉向后錨固在主梁錨梁內；主纜和鞍座、散索鞍座體間無相對滑動。其主索鞍座座體下設鋼輥軸支座，座體兩端設限位擋塊，保證中塔有限位移量為177。20cm，邊塔為 177。5cm；其散索鞍座座體下設球形鋼支座，保證座體可微量位移。 方案比選方案一（三塔四跨矮塔斜拉橋）華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文12孔跨布置：85+140+140+85m方案二（預應力混凝土連續(xù)剛構橋）孔跨布置 85+140+140+85m方案三（三塔四跨自錨式懸索橋）孔跨布置：80+168+168+80m綜合考慮造工期、施工難度、結構性能，景觀效果等方面對以上量方案進行比較，結果見下表主橋方案比較表項目方案一85+140+140+85m 三塔四跨矮塔斜拉橋方案二85+140+140+85m 預應力混凝土連續(xù)剛構橋方案三80+168+168+80m 三塔四跨自錨式懸索橋景觀效果造型新穎，視覺沖擊感強，富有現(xiàn)代氣息。造型簡潔，線條明快。但結構形式過于常見造型新穎，視覺沖擊感強，富有現(xiàn)代氣息。實施難度水中基礎施工難度較大，主橋懸臂澆筑，一次澆筑雙箱，施工難度很大。水中基礎施工難度較大，主橋懸臂澆筑，施工難度不大。由于分幅，澆筑周期長水中基礎施工難度較大，搭支架較復雜。工期 18 月 24 月 18 月施工對航道影響主梁懸臂澆筑，對航道影響較小。主梁懸臂澆注，對航道影響較小。加勁梁分跨支架拼裝，對航道影響較小。技術先進性 技術一般。 技術成熟。 技術先進。后期養(yǎng)護 拉索須定期養(yǎng)護。 養(yǎng)護費用最小。 主纜、吊索須定期養(yǎng) 護。結構性能結構受力性能良好，滿足施工階段和使用階段穩(wěn)定性要求。結構受力性能良好，基本滿足施工階段和使用階段穩(wěn)定性要求。結構受力性能良好，基本滿足施工階段和使用階段穩(wěn)定性要求。通過方案比選表可見，三塔四跨自錨式懸索橋技術先進、結構新穎、施工方便、施工工期短、故本次設計推薦方案三。 本章小結華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文13對于在 100~200m 的跨徑內，常見的橋型主要為連續(xù)剛構橋和拱橋，懸索橋這類橋型很少作為比選方案，但對于一些特殊地質情況或景觀要求時，特別是地標性建筑工程，自錨式懸索橋就能體現(xiàn)出其獨特的魅力，能夠成為一種極具競爭力的方案。華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文14第三章 成橋狀態(tài)設計 概述懸索橋與一般中小跨經橋梁的區(qū)別就是懸索橋的自重和大部分施工荷載主要由主纜來承擔。特別是成橋后在恒載作用下主纜和吊桿的張力、橋形應與設計目標一致。自錨式懸索橋的合理成橋狀態(tài)是指滿足設計基本參數(shù)和性能指標條件下成橋結構的受力狀態(tài)和結構的幾何形狀。由懸索橋的受力特征可知, 加勁梁的受力和主纜的線形, 除了與施工方法及構件自身特性有關外,主要是由吊索內力決定的。給定懸索橋成橋時的受力性能指標, 計算懸索橋成橋時的吊索內力 ,由吊索內力又能計算出主纜幾何形狀, 最終得到成橋時的合理設計狀態(tài)。本章主要研究自錨式懸索橋的成橋狀態(tài)纜形計算、成橋狀態(tài)的內力分析。 主纜在豎向荷載下的計算主纜具有幾何非線性的特點。精確計算其線形是合理成橋狀態(tài)的保障。一般主纜的計算有兩種方法。第一種是拋物線法, 假設恒載沿跨徑均勻分布。第二種是懸鏈線法, 假設恒載沿弧長均布。拋物線法比較粗糙,沒有后者精確。懸鏈線法假定主纜是理想柔性的。其材料符合虎克定律，由于主纜的截面面積和自重集度在外荷載作用下的變化量十分微小, 故忽略這種變化的影響。在懸索橋的成橋狀態(tài), 對于主纜而言, 所受荷載為沿弧長均布的主纜自重和通過吊索傳遞的局部荷載, 后一部分可近似作為集中荷載處理。懸鏈線法的分析模型如下圖所示, 將懸索以吊索為界分為 n 段, 每一段懸索的受力情況是:索段兩端承受集中力 ,中間則承受沿索長均布的豎向分布力———重力。最后通過邊界條件確定整個主纜的線形。華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文15經推導,可得主纜坐標為 122Hxychqlsl???????????????????????式中: H 為主纜水平力 。 q 為沿主纜弧長均布的荷載。 l 為主纜跨徑。 c 為主纜兩端高差。圖 中的 、 為主纜的邊界條件。計算時需要先給一定的初始值,1i?i進行迭代得到精確的線形。 基于 midas/civil 2022 的成橋狀態(tài)分析 主纜線形粗略分析——節(jié)線法Midas/civil 采用了日本 Ohtsuki 博士使用的計算索平衡狀態(tài)方程式，是利用橋梁自重和主纜張力的平衡方程計算主纜坐標和主纜張力的方法。其基本假定如下： (1) 吊桿僅在橫橋向傾斜，垂直于順橋向。 (2) 主纜張力沿順橋向分量在全跨相同。 (3) 假定主纜與吊桿的連接節(jié)點之間的索呈直線形狀，而非拋物線形狀。 (4) 主纜兩端坐標、跨中垂度、吊桿在加勁梁上的吊點位置、加勁梁的恒荷載等華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文16為已知量。 吊桿間主纜的張力分布如圖 所示圖 一般來說將索分別投影在豎直面和水平面上，利用在各自平面上張力和恒荷載的平衡關系進行分析，其計算方法與 中方法類似，故不進行詳細說明。 自錨式懸索橋精確平衡狀態(tài)分析（1）確定主纜線形通過節(jié)線法確定的主纜初始線形因為基本假定（假定 2）的假設，可能與主纜的最終實際線形有所差異。所以需要以節(jié)線法確定的初始線形為基礎，使用懸鏈線索單元做更精確的分析。首先把主纜兩端的錨固點、主塔底部、吊桿下端均按固結處理，然后建立由彈性懸鏈線主纜和吊桿形成的空纜模型。通過節(jié)線法計算的主纜兩端坐標和無應力長作為彈性懸鏈線的已知參數(shù)。無應力長 是以主纜兩端坐標為0L基礎計算而得，主纜的水平張力 也是通過節(jié)線法來計算，也是已知參數(shù)。初始平xT衡狀態(tài)的精確分析分析流程圖參見圖 。圖 華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文17（2）確定整體結構形狀自錨式懸索橋的主纜和加勁梁是連接在一起的，加勁梁受很大的軸力作用。如圖 所示，加勁梁的兩端和主塔頂部會產生很大（橋軸方向）的位移。即主纜體系將發(fā)生變化，所以從嚴格意義來說初始平衡狀態(tài)分析計算的主纜坐標和無應力長與實際并不相符。這樣的問題可以通過給桿系單元輸入初始內力來解決。圖 自錨式懸索橋加勁梁兩端和主塔頂部的變形華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文18上圖為自錨式懸索橋的初始平衡狀態(tài)。把主纜平衡狀態(tài)分析計算的主纜反力作為外力施加在桿系單元上（輸入初始內力） 。圖 初始平衡狀態(tài)自錨式懸索橋分離圖形 成橋狀態(tài)初始內力分析成橋狀態(tài)的初始內力情況是否合理直接關系到運營階段的使用性能，而且對于懸索橋這類柔性較大，結構非線性作用大的橋型來說，成橋狀態(tài)初始內力將關系到后續(xù)荷載計算時結構的剛度矩陣。因此對成橋狀態(tài)的初始內力進行分析的方法做詳細的研究是很有必要的。Midas/civil 提供了自動計算模型單元初始內力，幾何剛度初始荷載的模塊。但對于需要手動調索，保證成橋合理狀態(tài)是但憑這個模塊的功能分析是很有局限性的。因此需要考慮其他的分析方法來彌補這一缺陷。對于自主調索的懸索橋結構根據(jù)上圖 ，將結構結構分為纜索體系和加勁梁橋塔體系兩個結構進行單獨分析，對于自錨式懸索橋的支座邊界條件可采用換算加勁梁剛度系數(shù)彈性支座進行模擬。在分析了纜索體系為基礎下將纜索的支座反力施加到加勁梁橋塔體系上，對該體系進行內力分析，這樣就可得到比較合理的內力狀態(tài)，滿足了自主調索的要求。這種分析方法在進行纜索體系分析時通過 midas/civil 懸索橋分析模塊得到理想合理的成橋線型和初始纜索張力，對加勁梁橋塔體系分析可以看到成橋狀態(tài)的橋塔內（應）力，加勁梁的預拱度，彎矩。通過這種方法很容易調整結構內力狀態(tài)，設置預拱度。華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文19現(xiàn)以福州螺洲大橋的分析為例進行說明。螺洲大橋設計中采用張力吊索（桿）力的方法控制該橋的成橋狀態(tài)，每根吊索（桿）力為 1065KN，結構為自錨式。橋塔采用 C50 混凝土，加勁梁為 Q370qC。吊索、主纜 ；吊桿強度 。1670,140bsMPaa???980,785bsMPaa??圖 主纜單元離散圖通過上述方法計算可得主纜初始纜形圖如下圖 主纜初始纜形圖華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文20圖 主纜初始張力圖 加勁梁、橋塔變形圖圖 加勁梁、橋塔變形及初始應力圖華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文21根據(jù)分析，螺州大橋纜索初始張力的水平分量為 19600KN 左右，加勁梁在三個橋塔處均采用水平方向位移釋放，橫橋向和豎向位移約束，故在初始狀態(tài)結構的最大撓度為位于兩邊跨處，跨中最大撓度為 ，橋塔塔頂最；加勁梁的邊跨錨固區(qū)附近為應力較大區(qū)，最大應力為，~ 之間；由于橋塔為變截面，塔頂截面較小，塔底截面較大，故橋塔的最大壓應力位于橋塔中部，；塔頂塔鞍處最大壓應力為 。主纜開始計算線型為懸鏈線主跨矢跨比為 1/，邊跨矢跨比為 1/13。通過計算更新節(jié)點坐標后最大更新節(jié)點位移為 ，這說明初始的線型計算較為精確，精確分析前后節(jié)點位置變化較小。通過 midas/civil 提供的懸索橋分析模塊，對于只需知道邊、主矢跨比，邊、主跨跨度等基本參數(shù)，midas/civil 便能精確計算出主纜的成橋線型，這樣能省得大量時間手算成橋狀態(tài)的主纜初始線型。通過上述計算分析可知，對自錨式懸索橋的分析采用分體系分析法，方便快捷，可控性強，是值得推薦使用的。 本章小結基于 midas/civil 的懸索橋分析模塊，對如何得到懸索橋特別是自錨式懸索橋精確合理的主纜初始線型提出了分體系分析法，最大程度上利用 midas/civil 的懸索橋分析模塊，而增加了設計者在調索過程中的自主性，使得分析、設計更加精確，快捷。本章通過對螺州大橋為例進行分析，從分析的結果輸出來看，結果精確可信，數(shù)據(jù)輸出詳細，可控性強。兩種體系結果相互反應，通過修改荷載能很快得到設計要求。華 中 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計 論 文22