温州瓯江北口大桥中塔索鞍抗滑移构造研究

温州瓯江北口大桥为主跨800m的三塔四跨悬索桥,中塔采用刚度较大的钢筋混凝土塔。为解决中塔索鞍与主缆之间的抗滑移问题,提出在鞍槽内设置水平摩擦板、竖向摩擦板、水平摩擦板+竖向摩擦板3种方案来提高中塔索鞍与主缆间的名义摩擦系数,对索鞍进行抗滑移计算,采用MIDAS Civil软件建立索鞍有限元模型对其进行受力分析,并对比3种方案的抗滑移效果。结果表明:水平摩擦板索鞍、竖向摩擦板索鞍、水平摩擦板+竖向摩擦板索鞍的名义摩擦系数分别为0.392、0.422、0.412,抗滑安全系数分别为2.63、2.83、2.76,3种方案均能显著提高索鞍的抗滑移性能;水平摩擦板与索鞍的连接构件局部应力较大,且施工困难;全竖向摩擦板索鞍各部位的应力相对较小且分布较均匀,并通过相关试验验证了施工可行性,该桥最终采用全竖向摩擦板防滑索鞍方案。     

三塔双层悬索桥中塔结构选型研究

中间桥塔结构选型是多塔悬索桥设计的关键技术问题,以世界首座三塔双层悬索桥——温州瓯江北口大桥为依托工程,分别对采用A形混凝土中塔、I形钢-混组合中塔及人字形钢结构中塔时的中塔偏位、主跨挠度、主缆抗滑安全性及经济性等关键控制指标进行了综合研究。研究表明,在主缆与鞍座间的名义摩擦系数取为0.2时,I形钢-混组合中塔及人字形全钢中塔可满足中塔结构受力和主缆抗滑移安全系数达到2.0的要求;在主缆与鞍座间的名义摩擦系数取为0.3时,A形混凝土中塔可满足中塔结构受力和主缆抗滑移安全系数达到2.0的要求,并具有明显的经济性。     

温州瓯江北口大桥中塔结构形式比选

温州瓯江北口大桥主桥为主跨2×800m的三塔双层桥面钢桁梁悬索桥,为选择该桥合理的中塔结构形式,从结构受力、经济性、施工便捷性等方面对纵向A形混凝土中塔、纵向人字形钢中塔和纵向I形钢-混凝土混合中塔3种中塔方案进行综合比选。结果表明:若采用纵向A形混凝土中塔方案,结构整体刚度较大,但需保证名义摩擦系数≥0.3以满足主缆抗滑的要求,若采用其他2种中塔方案,名义摩擦系数取0.2即可;3种中塔方案均可通过调整相关结构尺寸满足自身的受力要求;结合中塔沉井基础,纵向A形混凝土中塔方案经济性最优,且桥梁施工过程中可保证施工塔吊不超高。经综合比选,该桥中塔最终采用纵向A形混凝土塔,通过在中塔鞍座中增加竖向摩擦板的方法保证主缆的抗滑安全。     

悬索桥主缆与鞍座抗滑移安全系数的确定方法

为准确评估主缆与鞍座间的抗滑移安全性,确保多塔悬索桥结构受力安全,对主缆与鞍座间的摩擦抗力特性进行了研究。通过分析索股间微元体的应力-应变关系,建立侧向压力和索股拉力间的微分方程,推导了主缆索股和鞍座侧壁接触面间的侧向压力表达式,并据此建立了主缆与鞍座间的摩擦抗力方程,提出了悬索桥主缆与鞍座之间的抗滑移安全系数确定方法。通过模型试验结果对摩擦抗力方程进行了验证,并对主缆与鞍座抗滑移安全系数的确定方法以及鞍座设计参数对于抗滑移安全系数的影响进行了探讨。结果表明:所提出的摩擦抗力方程能够准确确定鞍槽内设置和不设置竖向摩擦板2种典型情况下主缆与鞍座间的实际摩擦抗力;现有的抗滑移安全系数定义方法物理含义模糊,计算值偏于保守,无法计入鞍座参数优化对提高抗滑移安全性的影响,可能对多塔悬索桥的结构设计造成困扰;所提出的抗滑移安全系数表达式,物理意义明确,便于工程应用,可以作为确定抗滑移安全系数的依据;主缆与鞍槽接触面间的摩擦因数和鞍座结构设计参数是主缆与鞍座间摩擦抗力的重要影响因素,改善鞍座设计参数和设置竖向摩擦板是提高主缆与鞍座抗滑移安全性的有效途径。     

悬索桥主缆与鞍座间摩擦系数的测定

为了研究特定工况下中塔主缆在鞍座内的滑移情况,对泰州长江公路大桥开展了主缆与中主鞍座间抗滑移试验研究,试验采用与实桥直径相同的镀锌钢丝,全面模拟各束股与束股之间、钢丝之间、束股与鞍槽间的真实的接触特征,以期使试验测出的主缆与鞍座鞍槽间摩擦系数能较为真实地反映实桥的情况.     

三塔悬索桥中塔主缆与鞍座间抗滑移试验研究

泰州长江公路大桥的初步设计中提出三塔悬索桥设计方案,为了研究特定工况下中塔主缆在鞍座内的滑移情况,江苏省长江公路大桥指挥部主持开展了主缆与中主鞍座间抗滑移试验研究。我国和美国、日本都曾开展过主缆与鞍座鞍槽间摩擦机理分析的试验,由于试验及试验模拟的差异等,试验结果离散性较大。本试验采用与实桥直径相同的镀锌钢丝和具有相同曲率、结构尺寸以及表面处理的鞍槽,力求全面模拟各束股与束股之间、钢丝之间、束股与鞍槽间的真实的接触特征,采用与实桥基本相同的接触挤压应力,以期能较为真实地反映三塔悬索桥中塔主缆在鞍座间的抗滑移情况。     

三塔两跨悬索桥2个重要的技术指标和中塔疲劳验算加载模式

简要介绍泰州长江公路大桥三塔两跨悬索桥2个重要技术指标,即主缆与中主鞍座间抗滑移摩擦系数、主梁挠跨比,以及中塔疲劳验算加载模式。     

主缆与鞍座间摩擦抗力评估的混合解析数值法

为保障多塔悬索桥中主塔鞍座的抗滑移安全性，准确评估主缆与鞍座间的摩擦抗力，提出一种适用于鞍座摩擦抗力分析的混合解析数值法。首先，通过分析滑移临界状态下鞍座内索股的受力状态，将主缆与鞍座接触面间摩擦抗力的求解问题逐步分解，最终简化为求解鞍座任意截面处索股与鞍座接触面间压力分布的平面应变问题；其次，沿纵向将鞍座均匀离散化为多个截面，建立相应截面的二维有限元模型，并得出滑移临界状态下各截面处索股与鞍座接触面间的压力分布；采用将各段压力求和再乘以摩擦因数的方式求出主缆与鞍座间的摩擦抗力及其分布，建立适用于主缆与鞍座间摩擦抗力评估的混合解析数值法，并通过模型试验验证其准确性；最后，基于所提出的混合解析数值法对鹦鹉洲长江公路大桥实桥的中主鞍座摩擦抗力进行分析与讨论。研究表明：所提出的混合解析数值法计算结果和试验结果吻合良好，具有计算效率和精度高，评估流程简洁和工程应用便捷等优点，可作为评估主缆与鞍座间摩擦抗力的依据；主缆与鞍座接触面间压力的绝对值和摩擦抗力均呈由上到下、由松边到紧边递增的分布特性；通过设置竖向摩擦板以增加数个竖向摩擦板面，从而有效提高主缆与鞍座间的摩擦抗力，可大幅提高主缆与鞍座间的抗滑移安全性。     

悬索桥主缆与索鞍间滑移行为及力学特征试验

为明确主缆与索鞍间的滑移机理,给相关理论研究提供必要基础,开展了试验研究以揭示主缆在不平衡力作用下的滑移行为及力学特征。制定了以两端张拉丝股模拟主缆平衡状态、以单侧顶推索鞍模拟主缆偏载状态的加载方案,并设计了相应的试验模型及测试方法;考虑索股侧面摩擦及试验索股数目的影响,开展了共8种工况的试验测试,利用实测数据对索力发展特征、索股滑移行为、滑移时变效应及名义摩擦因数变化规律等关键问题进行了系统研究。结果表明：顶推索鞍初期所产生的不平衡力在索股间平均分配,随着不平衡力增大,索股相继滑移且滑移后基本维持其索力差不变;索股均已滑移后的缆力差的发展具有单向性,但残余缆力差相对较小;索股位移发展包括弹性变形、局部蠕动和滑移3个典型阶段;主缆滑移时变效应有限,即主缆滑移后仍具备较可靠的稳载能力;名义摩擦因数随索股相继滑移而增加的同时会引起较突出的索力不均匀性问题,故在主缆抗滑措施研究中尚需对该问题予以重视;侧面摩擦是索股分批滑移及索股数目对试验结果产生影响的根本原因,鉴于侧面摩擦显著的抗滑贡献,对其继续深入研究并充分应用具有重要意义;建议多塔悬索桥主缆与索鞍间的摩擦因数取值可放宽至0.2。     

温州瓯江北口大桥施工期索夹抗滑移控制

温州瓯江北口大桥为主跨2×800 m的三塔四跨双层钢桁梁悬索桥,主跨钢桁梁采用1 000 t缆载吊机大节段吊装,施工期索夹受力大、索夹螺杆紧固力损失大,索夹滑移风险高。为给施工期索夹滑移风险评估和抗滑移控制措施提供依据,在《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05—2015)索夹抗滑移系数计算公式的基础上,考虑索夹上临时荷载、主缆轴力增加引起的主缆直径变小和主缆丝股重新排列、螺杆时变效应造成的索夹螺杆紧固力损失,提出适用于大跨悬索桥施工期的索夹抗滑移系数计算方法,分析主要参数对施工期索夹抗滑移系数的影响,并评估该桥施工期索夹抗滑移风险,提出索夹抗滑移控制措施。结果表明：钢桁梁吊装过程中,索夹倾角变化大,应采用当前施工阶段索夹倾角计算施工期索夹抗滑移系数,主缆轴力增加引起主缆直径变小是造成索夹滑移的主要原因之一;该桥除主跨跨中钢桁梁节段对应索夹抗滑移系数满足规范要求外,其余索夹抗滑移系数均不满足规范要求。根据索夹滑移风险评估结果,采取紧固索夹螺杆的抗滑移控制措施,并明确了该桥索夹螺杆紧固次数和时机。该桥采取索夹抗滑移控制措施后,施工过程中索夹均未出现滑移现象。     

温州瓯江北口大桥主桥总体设计及结构选型

温州瓯江北口大桥为高速公路和普通国道合建的通道,结合建桥条件对该桥主桥进行总体设计及结构选型。受通航孔位置、净空尺度控制,综合考虑防洪影响、结构受力和施工难度等因素,主桥采用主跨2×800m的三塔悬索桥。南边缆跨跨径为348m,北边缆跨设置6根背索,跨径为230m,两边跨均采用悬吊结构。选取平层合建和双层合建两种加劲梁方案进行比选,最终采用结构受力合理、建设难度较低的双层钢桁梁方案。为解决中塔主缆抗滑移的技术难题,该桥中塔选取整体结构刚度大、抗风稳定性好的纵向A形混凝土塔,并采用设置竖向摩擦板的中主索鞍。中塔基础采用整体性和稳定性好、能承受船舶直接撞击作用的沉井基础。边塔采用H形混凝土塔,钻孔灌注桩基础。南、北锚碇均采用安全可靠的重力式锚碇,北锚采用扩大基础,南锚采用大型沉井基础。     

三塔四跨悬索桥合理结构布置形式研究

为明确不同结构布置形式应用在三塔四跨悬索桥中的合理性,构建了主跨600～1 400m范围内的5座三塔四跨悬索桥,对汽车荷载作用下结构竖向刚度及主缆抗滑系数这两项控制指标进行了计算分析,并深入探讨了不同主跨跨径下塔梁连接形式、缆梁连接形式及缆索系统布置形式对结构产生的影响。研究表明:三塔四跨悬索桥在单跨满布汽车荷载下,随主跨跨径的增大,"中塔效应"越易缓解;当对鞍座进行适当改进以提高主缆与鞍座间的名义摩擦系数后,三塔四跨悬索桥桥跨布置可大幅拓宽;塔梁连接形式对"中塔效应"的影响体现在其纵向约束存在与否,无纵向约束体系的竖向刚度及主缆抗滑系数显著降低;缆梁连接形式对"中塔效应"的影响非常明显,但其导致了中央扣及部分吊索的疲劳、锚固及索夹滑移问题;缆索系统布置形式对"中塔效应"影响较弱,协作体系仅会产生不利的影响。综合对比分析表明:从缓解"中塔效应"的角度出发,不设置中央扣,塔梁间设置纵向约束的平面缆体系更适用于三塔四跨悬索桥。     

三塔四跨悬索桥支撑体系方案比选北大核心

温州瓯江北口大桥主桥初步设计为(230+2×800+358)m三塔四跨悬索桥,中塔采用混凝土A形塔。为得到三塔四跨悬索桥合理的支撑体系方案,优化结构性能并降低设计难度,以该桥单层分离式钢箱梁方案为背景,提出5种中塔支撑体系方案、4种边塔支撑体系方案,采用BNLAS软件建立主桥空间有限元计算模型,分析主缆抗滑安全系数、支座反力、塔侧吊索内力、主梁应力、桥塔应力。结果表明:中塔、分离式钢箱梁采用四跨连续体系,在中塔横梁上纵向设置1排支座、横向间距40.5m设置2个支座,在边塔横梁上纵向设置1排支座、横向间距30.9m设置3个支座时的结构受力性能最优。     

三塔四跨悬索桥支撑体系方案比选

温州瓯江北口大桥主桥初步设计为(230+2×800+358)m三塔四跨悬索桥,中塔采用混凝土A形塔。为得到三塔四跨悬索桥合理的支撑体系方案,优化结构性能并降低设计难度,以该桥单层分离式钢箱梁方案为背景,提出5种中塔支撑体系方案、4种边塔支撑体系方案,采用BNLAS软件建立主桥空间有限元计算模型,分析主缆抗滑安全系数、支座反力、塔侧吊索内力、主梁应力、桥塔应力。结果表明:中塔、分离式钢箱梁采用四跨连续体系,在中塔横梁上纵向设置1排支座、横向间距40.5m设置2个支座,在边塔横梁上纵向设置1排支座、横向间距30.9m设置3个支座时的结构受力性能最优。     

A形混凝土中塔多塔悬索桥设计与拓展应用研究

为提升悬索桥的连续跨越能力,以瓯江北口大桥为背景,结合长江上已建成的3座三塔悬索桥,对三塔悬索桥的设计理念、设计要点、适用性等进行研究。在此基础上,对采用A形混凝土中塔的不同跨数和不同主跨跨度的多塔连跨悬索桥方案进行受力分析和拓展应用。研究发现:三塔悬索桥的性能关键在于中塔,中塔的刚度对桥梁整体刚度起决定性作用;采用增设全竖隔板的新型中主索鞍,主缆钢丝与鞍槽间名义摩擦系数可达到0.3;采用A形混凝土中塔的三塔悬索桥大幅提高了结构整体刚度和抗风稳定性能;A形混凝土中塔应用于多塔连跨悬索桥时,其主要力学指标变化幅度有限,影响主缆滑移的显著因素是恒载与活载的比率。     

基于逆可靠度法的三塔悬索桥主缆与中塔鞍座抗滑安全系数研究

为合理评估三塔悬索桥主缆与中塔鞍座抗滑安全系数,提出了一种基于逆可靠度法的主缆与中塔鞍座抗滑安全系数计算方法。在考虑结构参数变异性前提下,通过一次逆可靠度方法将目标可靠指标和抗滑安全系数联系起来,进而评估结构的安全性。运用所提方法评估了某算例的抗滑安全系数,并进行了参数分析。计算结果表明:抗滑安全系数随着目标可靠指标的增大而减小;参数随机性对抗滑安全系数影响较大,忽略参数随机性求得抗滑安全系数偏大;摩擦系数、结构恒载、均布活载对抗滑安全系数影响较大,而抗滑安全系数对主缆弹性模量和主缆面积不敏感。     

瓯江北口大桥中塔设计及索鞍施工预偏量影响研究

温州瓯江北口大桥主桥为缆跨布置(230+800+800+348)m的三塔四跨连续弹性支承体系悬索桥。该桥中塔采用四柱式钢筋混凝土A形刚性塔,总高142m,纵向为A形,横向为门形。由于刚性中塔的采用,在提高中塔自身抗推刚度的同时,提高了结构的整体刚度,活载作用下加劲梁挠跨比1/588,中塔单根主缆的最大不平衡力达到35 003kN;与此同时,结构扭转基频提高到0.486Hz,颤振临界风速达到113.9m/s,抗风性能得到很大改善。采用BNLAS软件对中塔索鞍预偏与否进行分析,结果表明:中塔顶主鞍座的理论预偏量为0.239m,预偏与否对中塔受力影响很有限、对边塔受力基本无影响,因此设计建议取消中塔索鞍预偏及顶推。     

三塔自锚式悬索桥主缆抗滑移研究

由于国内计算鞍槽内主缆抗滑移的参数μ和K没有确切的规定,文中参照国内外现行有关规范、试验和相关文献资料进行对比分析,对于螺洲大桥,建议主缆与鞍座鞍槽间摩擦系数μ=0.2,抗滑移安全系数K=1.65。为了确定主索鞍的约束体系,采用主鞍座锁定、有限位移等多种约束体系进行对比分析,并且综合考虑结构受力、耐久性,以及经济性等因素,选择了主索鞍固结方式的约束体系,并对主索鞍进行了优化。     

温州瓯江北口大桥主桥设计关键技术

温州瓯江北口大桥主桥为主跨2×800m的三塔双层桥面钢桁梁悬索桥,上层通行6车道高速公路,下层通行6车道一级公路。针对该桥多塔、大跨、双层桥面的特点,对其支承体系、加劲梁、中塔及其基础设计关键技术进行研究。基于结构受力合理性以及运营安全等因素,该桥支承体系采用纵向在加劲梁梁端设置阻尼器;竖向在桥塔及边墩处设置竖向支座,并对桥塔处进行压重;横向在加劲梁与塔柱间设置抗风支座。综合考虑运输及安装、抗风稳定性、使用功能及经济性等因素,加劲梁采用正交异性钢桥面板与主桁结合的整体式钢桁梁,全桥4跨连续。为节省造价、降低后期维养工作量,中塔采用纵向A形钢筋混凝土结构,在中塔主缆鞍槽中设置多道竖向隔板,以提高主缆钢丝与鞍槽间的摩擦力,保证主缆抗滑移安全。为提高结构刚度、降低造价,中塔基础采用防撞能力强的大型沉井基础。     

大跨度三塔悬索桥主缆系统施工技术创新及改进

针对大跨度悬索桥主缆系统施工存在的一些技术难题,介绍近年国内3座三塔悬索桥主缆系统施工技术方面所做的创新和改进。通过使主索鞍底面在底板上直接滑移,简化主索鞍滑动副结构,方便施工过程索鞍顶推;设计制造支座型散索鞍结构,改善散索鞍摆动性能;采用左右对合的双吊耳板索夹结构,改善索夹结构受力性能;采用了主缆PPWS索股水平成盘放索架设方法,减少PPWS索股架设"呼啦圈"和散股问题。针对索鞍槽和主缆索股的抗滑移问题,探索应用了中塔主索鞍加厚鞍槽隔板和91丝规格PPWS索股增加"填充钢丝"的密实整形入鞍等方法。