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湖南吉首矮寨特大悬索桥
2012-06-18 来源:中国桥梁网

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矮寨特大悬索桥,位于湖南湘西矮寨镇境内。矮寨悬索桥,距吉首市区约20公里,跨越矮寨镇附近的山谷,德夯河流经谷底,桥面设计标高与地面高差达330米左右。桥型方案为钢桁加劲梁单跨悬索桥,全1073.65m,悬索桥的主跨为1176m。该桥跨越矮寨大峡谷,主跨居世界第三、亚洲第一。工程计划投入7.2亿元,占吉茶高速公路计划总投资的15%。2012年3月底,创4项世界第一的湖南矮寨特大悬索桥正式通车。

  矮寨特大悬索桥位于湖南湘西州吉首市矮寨镇,系在建的吉首至茶洞高速公路的控制性工程,距吉首市约20公里,横跨德夯大峡谷,落差达400多米。

  特殊的地形地貌让这座世界级的峡谷大桥面临五大“世界级”施工难题:

  一、地形险要。桥面到峡谷底高差达330米,两岸索塔位置距离悬崖边缘仅70至100米;

  二、地质复杂。桥位处存在岩堆、岩溶、裂隙和危岩体等不良地质现象;

  三、峡谷多雾。据统计,瞬间最大风速为31.9米/秒;

  四、吊装难。主缆及钢桁梁在300至400米高空架设,单件吊装最大重量达120吨;

  五、运输难。土建工程运量大,仅钢材、水泥、砂石的材料运输总量就达18万吨。

  索移梁工

  首次采用轨索移梁工艺进行主桁梁架设。轨索移梁法即利用大桥永久吊索,在其下端安装水平轨索,再将水平轨索张紧作为加劲梁的运梁轨道,实现由跨中往两端节段拼装大桥的钢桁加劲梁。相对于桥面吊机拼装方案,轨索移梁方案可大大减少钢桁梁的高空拼装作业,既可节省工期和节约投资,又有利于保证施工安全及施工质量。

  塔梁分离

  首次采用塔梁完全分离结构。一般悬索桥设计中,塔与梁相接,但矮寨大桥索塔位置距悬崖边缘仅70-100米,下面即是数百米高的谷底,地形比较特殊。使用塔梁完全分离结构可以最大限度减少对山体的开挖,缩短钢桁梁长度,节省投资。

  岩锚吊索

  首次在悬索桥上使用大型岩锚吊索。由于使用了塔梁分离式悬索桥结构,使钢桁梁长度小于主塔中心距,主缆存在无吊索区,吊索卸载应力为零的情况就会出现,并且对大桥的钢桁梁受力也有不利影响。因而,大桥采用岩锚吊索结构。在吉首岸设置1对岩锚吊索,茶峒岸设置2对岩锚吊索。岩锚吊索作为调节器,让主梁受力平衡。

  碳纤维预应力索

  首次采用碳纤维预应力索对岩锚底座进行锚固。将岩锚吊索所受的拉力传至地面岩体上,常规岩锚索预应力筋材采用钢绞线,矮寨大桥根据研究试验后采用了高性能的碳纤维作为预应力筋材,与传统钢绞线相比,碳纤维材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀的特点,为桥梁的安全提供充分的保障。

  矮寨桥首次采用塔梁分离式悬索桥结构体系

  矮寨大桥索塔主跨1176m,加劲梁长1000.5m。吉首岸无索区长95m,主梁通过部分路基与隧道相连;

  茶洞岸无索区长109.5m,主梁直接与隧道连接。

  结合两岸地形及地质条件,采用塔梁分离式悬索桥结构体系减小了主梁长度,最大限度减少了对山体的开挖,节省了投资;实现了桥梁结构与自然景观的完美融合。

  由于选用了塔梁分离式悬索桥结构,钢桁梁长度小于主塔中心距,主缆存在无吊索区,会出现吊索卸载应力为零的情况,且钢桁梁转角位移大,钢桁梁的上、下弦应力超标,需对钢桁梁作特殊设计。设计采用的是增加竖向锚固拉索方案,设竖向锚固拉索,通过预应力岩锚将其锚固于岩石上。

  矮寨桥钢桁加劲梁的设计

  矮寨大桥的钢桁加劲梁包括钢桁架和桥面系。钢桁架由主桁架、主横桁架、上下平联及抗风稳定板组成。主桁架为带竖腹杆的华伦式结构,由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成。上弦杆、下弦杆采用箱形截面,除支座处腹杆采用箱型断面外其余均采用工字型截面。主桁桁高7.5m,桁宽27m,节间长度7.25m。一个标准节段长度14.5m,由2个节间组成,在每节间处设置一道主横桁架。

  主横桁架采用单层桁架结构,由上、下横梁及竖、直腹杆组成,其中上下横梁采用箱形截面,腹杆均采用工字型截面。上、下平联均采用K形体系、箱型截面。

  加劲梁的架设采用轨索移梁法,利用大桥永久吊索在其下端安装临时吊鞍,然后在临时吊鞍上安装水平轨索,再将水平轨索张紧作为加劲梁的运梁轨道,实现由跨中往两端拼装大桥的钢桁加劲梁。

  矮寨桥索塔、隧道锚、公路隧道相互影响

  矮寨桥索塔、隧道锚、公路隧道相互影响的处理。

  矮寨大桥采用了桥隧相联的形式,设计者通过巧妙设计,解决了一系列影响山体稳定和桥梁结构的问题。

  施工阶段,隧道入口仰(边)坡开挖、隧道掘进、塔基开挖、隧道式锚碇开挖均会对山体稳定造成一定影响;运营阶段,索塔与锚碇的荷载、端吊索的荷载将共同作用于山体。

  设计者运用了FLAC-3D岩土工程分析软件建立岩体的本构模型,对山体的整体稳定性进行了分析计算。对山体进行了必要的加固防护措施,以确保山体的稳定和桥梁结构安全。

  矮寨大桥抗风性能研究

  矮寨大桥地处山地峡谷,抗风稳定性研究成为大桥建设中的一大课题。

  根据风洞试验结果,稳定板的设置,对提高矮寨大桥的气动稳定性能起着至关重要的作用,在该措施下各攻角均满足了颤振检验风速的要求。由于稳定板的增加会加大结构所受的静气动荷载,因此稳定板的高度不宜过高。

  最终确定,在桥面系以上和桥面系以下分别布置上、下纵向抗风稳定板。上抗风稳定钢板高860mm,与两道内侧防撞栏结合,下抗风稳定板与主横桁架相连,由高1000mm、带纵向加劲肋钢板组成。

  
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