CN112081002A - 一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构，包括主缆、吊索、斜拉索、主梁、桥塔、桥塔承台、桥塔基础、边跨桥墩、桥墩承台、桥墩基础，主梁为闭口钢箱主梁，主缆直接锚固于主梁上，桥塔为全钢结构桥塔，桥梁主跨的跨中区域为主缆承重区，桥梁主跨的靠近桥塔区域为斜拉索承重区，主缆承重区和斜拉索承重区之间为吊索和斜拉索交叉布置的共同承重区。还提供一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构的施工方法。本大跨度桥梁结构通过合理分配主缆和斜拉索的承重比例，克服了高度受限条件下桥塔高度低、主缆垂跨比小、斜拉索角度小带来的不利影响，在实现大跨度的同时获得了良好的受力性能和较好的整体经济性。

Description

一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构及其施工方法

技术领域

本发明属于桥梁技术领域，具体涉及一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构及其施工方法。

背景技术

对于主跨跨径达到400m以上的大跨度桥梁，可采用的常规桥型主要有拱桥、斜拉桥、悬索桥等缆索承重体系桥梁。每种桥型在保证较好受力性能和良好经济性能前提下，与高度、跨度相关的主要结构参数比值如下：

1）拱桥：拱肋矢跨比在1/5左右；

2）斜拉桥：主塔桥面以上高度与主跨跨径比值在1/4左右；

3）地锚式悬索桥：主缆垂跨比在1/10左右；

4）自锚式悬索桥：主缆垂跨比在1/6左右。

在实际工程中，受桥位处建设条件限制，桥梁设计有时会遇到既要求超大的主跨跨径，同时又要求很低的桥梁高度的情况。例如，受港航、水利条件限制，桥梁跨径需达到一定的规模，同时位于机场限高范围内，桥梁总高度需满足航空限高要求。

大跨度和限高的双重控制条件给桥梁方案设计带来了较大的难度。当主跨跨度和桥梁高度与上述桥型的常规结构参数比值差距较大时，上述桥型将因受力性能差、经济性能差而丧失可行性。这个时候就需要构思一种既能满足建设条件，同时又具有较好受力性能、优越景观效果和良好经济性能的新型桥梁结构体系。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构及其施工方法。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构，包括主缆、吊索、斜拉索、主梁、桥塔、桥塔承台、桥塔基础、边跨桥墩、桥墩承台、桥墩基础，所述主梁为闭口钢箱主梁，所述主缆锚固于主梁上；所述桥塔为全钢结构桥塔；桥梁主跨的跨中区域为主缆承重区，桥梁主跨的靠近桥塔区域为斜拉索承重区，所述主缆承重区的纵向承重长度占主跨全长的30%~40%，斜拉索承重区的纵向承重长度占主跨全长的40%~50%，主缆承重区和斜拉索承重区之间为吊索和斜拉索交叉布置的共同承重区，所述共同承重区的纵向承重长度为2~3个索距。

进一步地，所述闭口钢箱主梁包括钢箱梁体及设置于钢箱梁体上的吊索锚固构造、斜拉索锚固构造、主缆锚固构造，所述吊索锚固构造在横桥向方向上位于钢箱主梁的外腹板外侧且设置于主缆承重区和共同承重区，所述斜拉索锚固构造在横桥向方向上位于钢箱主梁的外腹板内侧且设置于斜拉索承重区和共同承重区。

进一步地，所述全钢结构桥塔包括钢塔塔柱、钢塔横梁、永久斜拉索锚固构造、临时斜拉索锚固构造、主索鞍、钢塔与混凝土承台结合段。

更进一步地，所述钢塔塔柱为箱型断面且在横桥向分成三个箱室，所述永久斜拉索锚固构造位于钢塔塔柱的中间箱室，所述临时斜拉索锚固构造位于钢塔塔柱的两侧箱室。

进一步地，所述大跨度桥梁结构的支撑体系为连续半漂浮体系，包括设置于桥梁上的横向抗风支座、粘滞阻尼器、竖向支承。

进一步地，所述桥塔桥面以上高度与主跨跨径的比值为1/15~1/10，桥塔总高度与主跨跨径的比值为1/8~1/6，所述主缆的垂跨比为1/15~1/10，所述最外侧斜拉索的水平角度为10~15度。

一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构的施工方法，包括以下步骤：

S1、施工桥塔承台、桥塔基础、桥墩承台、桥墩基础；

S2、施工全钢结构桥塔的下钢塔塔柱，施工边跨桥墩；

S3、逐节段施工边跨闭口钢箱主梁；

S4、施工全钢结构桥塔的上钢塔塔柱；

S5、施工全钢结构桥塔附近的闭口钢箱主梁节段，并对称安装相应的斜拉索，锚固墩与辅助墩浇筑压重混凝土；

S6、利用桥面吊机逐段拼装斜拉索承重区的中跨闭口钢箱主梁节段，并对称安装相应的斜拉索；

S7、安装临时斜拉索，利用临时斜拉索逐节段施工主缆承重区的闭口钢箱主梁，直至合龙；

S8、施工主缆；

S9、逐根对称安装吊索，拆除相应临时斜拉索，完成受力体系转换；

S10、全桥索力调整，施工桥梁附属工程。

与现有技术相比，本发明的有益效果：采用闭口钢箱主梁和全钢结构桥塔，主缆直接锚固于主梁上，主梁上的荷载由主缆和斜拉索共同承担，通过合理分配主缆和斜拉索的承重比例，本桥梁结构克服了高度受限条件下桥塔高度低、主缆垂跨比小、斜拉索角度小带来的不利影响，在实现大跨度的同时获得了良好的受力性能和较好的整体经济性。

附图说明

图1为本发明的立面示意图。

图2为本发明的平面示意图。

图3为本发明中的闭口钢箱主梁的顶平面示意图。

图4为本发明中的闭口钢箱主梁的底平面示意图。

图5为图1中主缆承重区A-A的横断面示意图。

图6为图1中斜拉索承重区B-B的横断面示意图。

图7为图1中共同承重区C-C的横断面示意图。

图8为图1中主缆锚固处D-D的横断面示意图。

图9为本发明中的全钢结构桥塔的横桥向示意图。

图10为本发明中的全钢结构桥塔的纵向立面示意图。

图11为图11中E-E的断面示意图。

图12为图11中F-F的断面示意图。

图13为图11中G-G的断面示意图。

图14为本发明的施工步骤示意图。

图中部件标号如下：

1主缆

2吊索

3斜拉索

4闭口钢箱主梁

401钢箱梁体

4011外腹板

402吊索锚固构造

403斜拉索锚固构造

404主缆锚固构造

5全钢结构桥塔

501钢塔塔柱

502钢塔横梁

503永久斜拉索锚固构造

504临时斜拉索锚固构造

505主索鞍

506钢塔与混凝土承台结合段

6桥塔承台

7桥塔基础

8边跨桥墩

9桥墩承台

10桥墩基础

11临时斜拉索

12横向抗风支座

13粘滞阻尼器

14竖向支承

a主缆承重区

b斜拉索承重区

c共同承重区。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。

参见图1至图3，一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构，包括主缆1、吊索2、斜拉索3、闭口钢箱主梁4、全钢结构桥塔5、桥塔承台6、桥塔基础7、边跨桥墩8、桥墩承台9、桥墩基础10。本实施例中，主跨跨径为420m，限高为60m。

所述闭口钢箱主梁4包括钢箱梁体401、吊索锚固构造402、斜拉索锚固构造403、主缆锚固构造404。吊索锚固构造402、斜拉索锚固构造403、主缆锚固构造404设置于钢箱梁体401上，并分别用于固定吊索2、斜拉索3、主缆1。

所述全钢结构桥塔5包括钢塔塔柱501、钢塔横梁502、永久斜拉索锚固构造503、临时斜拉索锚固构造504、主索鞍505、钢塔与混凝土承台结合段506。

参见图3和图4，本实施例桥梁结构的支撑体系为连续半漂浮体系，有采用横向抗风支座12、粘滞阻尼器13、竖向支承14。

桥塔总高度由机场限高确定，桥面标高由通航要求和主梁结构高度等因素共同确定。根据上述条件，本实施例桥面以上塔高约35m，桥面以下塔高约25m，桥塔总高度60m。桥塔高度远低于常规自锚式悬索桥和斜拉桥，主缆1的最大垂度为28.72m，主缆1垂跨比为1/14.6，该值比一般的自锚式悬索桥甚至地锚式悬索桥都小得多，见图1和图2。

在承担相同竖向荷载的条件下，主缆1的垂跨比越小，主缆1缆力越大，由于主缆1锚固而使主梁承受的轴向压力也越大，主缆1缆力过大会给主梁结构设计、主缆锚固构造404设计等带来很多困难。同样，由于桥塔高度低，斜拉索3的水平角度也小于常规的斜拉桥。在承担相同竖向荷载的条件下，斜拉索3角度越小，斜拉索3索力越大，传递给主梁的轴向压力也越大，斜拉索3索体和斜拉索锚固构造403的设计越复杂。在桥塔高度不可能增加的限制条件下，主梁采用轻质高强、稳定性能优越的闭口钢箱主梁4，在满足强度、刚度和稳定性要求前提下，闭口钢箱主梁4的结构重量远小于混凝土主梁，主缆1缆力和斜拉索3索力均有较大幅度的降低。参见图5，本实施例闭口钢箱主梁4高4.5m，宽45m，采用单箱多室结构，标准节段长度10.5m。

在主梁采用闭口钢箱主梁4的同时，本实施例对主缆1和斜拉索3的承重范围进行了合理分配，以便将主缆1缆力和斜拉索3索力同时控制在与常规桥梁相当的量级，方便设计和施工。本实施例中，索距为10.5m，主缆1和斜拉索3的承重范围分配如下：主缆承重区a为主跨跨中约15个索距的主梁荷载，斜拉索承重区b为靠近主塔处约99.75m的主梁荷载，两者之间约3个索距范围31.5m内的吊索2和斜拉索3纵向交叉布置，为共同承重区c，其设置有利于主梁受力平顺过渡，同时也改善了吊索2和斜拉索3的抗疲劳受力性能。按照上述比例对主缆1和斜拉索3的承重区进行合理分配后，参见图1，斜拉索3的最小水平角度为12.9度，斜拉索3的最大索力10374kN，国内已经建成的大跨度斜拉桥中，部分斜拉索3的索力已达到此量级，施工技术较为成熟；单根主缆1的最大缆力为130868kN，该缆力低于世界上已经建成的最大跨径的自锚式悬索桥，主跨600m的重庆鹅公岩复线桥，其设计和施工均有先例可循，技术难度得到有效控制。通过主缆1和斜拉索3的承重区的合理分配，本实施例在主缆1垂跨比极小、斜拉索3角度极小的极其苛刻的限制条件下，主缆1和斜拉索3的设计和施工均能够较好的实现。

参见图5和图7，闭口钢箱主梁4上的主缆承重区a和共同承重区c均设置吊索锚固构造402。参见图6和图7，闭口钢箱主梁4上的斜拉索承重区b和共同承重区c均设置斜拉索锚固构造403。其中，吊索锚固构造402在横桥向方向上位于钢箱主梁的外腹板4011外侧，斜拉索锚固构造403在横桥向方向上位于钢箱主梁的外腹板4011内侧，使得吊索2和斜拉索3在横桥向空间上可以互相避开，闭口钢箱主梁4上的共同承重区c的吊索2和斜拉索3不会出现两者相碰的现象。

参见图8，闭口钢箱主梁4上的主缆1锚固处设置主缆锚固构造404，主缆1在钢箱主梁端部分散成单根索股，并在主缆锚固构造404上进行锚固。

桥塔高度低、斜拉索3角度小使得桥塔具备不同于常规斜拉桥和悬索桥的受力特点。常规桥塔受力以轴压为主，通常采用混凝土桥塔。本实施例的桥塔由于高度极低，在使用阶段荷载作用下，所受到的纵向弯矩远大于常规桥梁，特别是整体温度荷载产生的纵向弯矩，桥塔自身以及塔下基础的受力均十分不利。桥塔纵向弯矩值的大小与斜拉索3角度、桥塔纵向刚度密切相关。本实施例中，最外侧斜拉索3的水平角度为12.9度，该角度远小于常规斜拉桥且已无继续加大的可能性。在斜拉索3角度无法进一步增大的情况下，参见图9和图10，桥塔采用全钢结构桥塔5，大幅降低了桥塔纵向刚度，从而显著减少了桥塔弯矩和基础受力，降低了桥塔承台6和桥塔基础7的规模，可获得较好的整体经济性。全钢结构桥塔5的纵向弯矩相对于混凝土桥塔减小了52%，大幅度改善了桥塔自身受力。同时，桥塔基础7的钻孔灌注桩数量由50根减少为38根，桥塔基础7的规模和造价均得到了大幅度的降低，获得了良好的整体经济性能。

为了在施工期间不突破限高条件，同时不影响航道畅通。本实施例采用桥面吊机逐节段拼装闭口钢箱主梁4的节段，并对称安装相应斜拉索3的施工方法；对于没有斜拉索3的主缆承重区a，则利用临时斜拉索11逐节段施工，待闭口钢箱主梁4合龙后再安装主缆1和吊索2，拆除相应的临时斜拉索11，完成受力体系转换。为了适应临时斜拉索11和永久斜拉索3的锚固，全钢结构桥塔5的钢塔塔柱501采用箱型断面且在横桥向分成三个箱室，永久斜拉索锚固构造503位于中间箱室，临时斜拉索锚固构造504位于两侧箱室，详见图9至图13。由于临时斜拉索11在桥塔上的锚固点在永久斜拉索3两侧，而不在永久斜拉索3上方，故施工期间不会突破限高条件。

参见图14，本实施例大跨度桥梁结构的施工方法，包括如下步骤：

S1、施工桥塔承台6、桥塔基础7、桥墩承台9、桥墩基础10；

S2、施工全钢结构桥塔5的下钢塔塔柱501，施工边跨桥墩8；

S3、逐节段施工边跨闭口钢箱主梁4；

S4、施工全钢结构桥塔5的上钢塔塔柱501；

S5、施工全钢结构桥塔5附近的闭口钢箱主梁4节段，并对称安装相应的斜拉索3，锚固墩与辅助墩浇筑压重混凝土；

S6、利用桥面吊机逐段拼装斜拉索承重区b的中跨闭口钢箱主梁4节段，并对称安装相应的斜拉索3；

S7、安装临时斜拉索11，利用临时斜拉索11逐节段施工主缆承重区a的闭口钢箱主梁4，直至合龙；

S8、施工主缆1；

S9、逐根对称安装吊索2，拆除相应临时斜拉索11，完成受力体系转换；

S10、全桥索力调整，施工桥梁附属工程。

应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (7)

1.一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构，包括主缆、吊索、斜拉索、主梁、桥塔、桥塔承台、桥塔基础、边跨桥墩、桥墩承台、桥墩基础，其特征在于，所述主梁为闭口钢箱主梁，所述主缆锚固于主梁上；所述桥塔为全钢结构桥塔；桥梁主跨的跨中区域为主缆承重区，桥梁主跨的靠近桥塔区域为斜拉索承重区，所述主缆承重区的纵向承重长度占主跨全长的30%~40%，斜拉索承重区的纵向承重长度占主跨全长的40%~50%，主缆承重区和斜拉索承重区之间为吊索和斜拉索交叉布置的共同承重区，所述共同承重区的纵向承重长度为2~3个索距。

2.根据权利要求1所述的高度受限条件下的大跨度桥梁结构，其特征在于，所述闭口钢箱主梁包括钢箱梁体及设置于钢箱梁体上的吊索锚固构造、斜拉索锚固构造、主缆锚固构造，所述吊索锚固构造在横桥向方向上位于钢箱主梁的外腹板外侧且设置于主缆承重区和共同承重区，所述斜拉索锚固构造在横桥向方向上位于钢箱主梁的外腹板内侧且设置于斜拉索承重区和共同承重区。

3.根据权利要求1所述的高度受限条件下的大跨度桥梁结构，其特征在于，所述全钢结构桥塔包括钢塔塔柱、钢塔横梁、永久斜拉索锚固构造、临时斜拉索锚固构造、主索鞍、钢塔与混凝土承台结合段。

4.根据权利要求3所述的高度受限条件下的大跨度桥梁结构，其特征在于，所述钢塔塔柱为箱型断面且在横桥向分成三个箱室，所述永久斜拉索锚固构造位于钢塔塔柱的中间箱室，所述临时斜拉索锚固构造位于钢塔塔柱的两侧箱室。

5.根据权利要求1所述的高度受限条件下的大跨度桥梁结构，其特征在于，所述大跨度桥梁结构的支撑体系为连续半漂浮体系，包括设置于桥梁上的横向抗风支座、粘滞阻尼器、竖向支承。

6.根据权利要求1所述的高度受限条件下的大跨度桥梁结构，其特征在于，所述桥塔桥面以上高度与主跨跨径的比值为1/15~1/10，桥塔总高度与主跨跨径的比值为1/8~1/6，所述主缆的垂跨比为1/15~1/10，所述最外侧斜拉索的水平角度为10~15度。

7.一种高度受限条件下的大跨度桥梁结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、施工桥塔承台、桥塔基础、桥墩承台、桥墩基础；

S2、施工全钢结构桥塔的下钢塔塔柱，施工边跨桥墩；

S3、逐节段施工边跨闭口钢箱主梁；

S4、施工全钢结构桥塔的上钢塔塔柱；

S5、施工全钢结构桥塔附近的闭口钢箱主梁节段，并对称安装相应的斜拉索，锚固墩与辅助墩浇筑压重混凝土；

S6、利用桥面吊机逐段拼装斜拉索承重区的中跨闭口钢箱主梁节段，并对称安装相应的斜拉索；

S7、安装临时斜拉索，利用临时斜拉索逐节段施工主缆承重区的闭口钢箱主梁，直至合龙；

S8、施工主缆；

S9、逐根对称安装吊索，拆除相应临时斜拉索，完成受力体系转换；

S10、全桥索力调整，施工桥梁附属工程。

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