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西班牙的Escaleritas高架桥
2012-12-10 来源:中国桥梁网
 Escaleritas 高架桥位于西班牙Las Palmas de Gran Canaria,是一座连接Escaleritas和La Feria地区的城市结构物,为此日益发展的地区提供了一个巨大的空间感。高架桥长220m,分成四跨,分别为100m(斜拉跨)、42m、42m、 36m。桥面采用钢-混凝土组合箱截面,由桥墩单一支承点支承,形成220m的扭转跨径。36m高的钢塔连接支承桥面的前索(沿其纵轴),以两组背索锚固在桥台1后的固定锚块来稳定。桥面梁分节段用起重机提升并在临时桥墩上进行拼装,拉索张拉完毕后拆除临时桥墩。对于桥梁的总体计算,采用三维(3D)梁模型来计算施工过程,采用壳有限元模型(FEM)来进行桥面和塔的最详细的分析,最后描述张拉工程。

  Escaleritas高架桥项目源于连接 Escaleritas和La Feria del Atlántico地区的需要。Las Palmas de Gran Canaria市政局和Gran Canaria岛屿议会要求投标提供跨越分开这个地区的巨大凹陷La Ballena沟壑的必要连接。目前,这个沟壑是一个正在持续延伸的城市公园。

  在已经存在的其他基础设施中,主要障碍是一条与新路的水平线形成51o倾斜角度斜交的人工隧道。基于这个原因,在建桥开始就需要采用较大的高架桥跨径。桥台的位置几近确定,因为新路将是沟壑两侧现有街道的延续。

  因此,形成主跨为不对称的斜拉桥方案。该解决方案的跨径布置为100、42、42和36m,优化高架桥的横向能见度。此外,整个高架桥具有最小统一高度的单一类型,结果是使桥面横截面具有较优越的经济性能(图1)。

  该桥在竖直线形上具有1.5%的等坡,而在其平面图上,主跨在直线的水平线形内,紧接着一个左转、半径为450m的圆曲线(图2)。

  
  

  桥面

  弯桥桥面的刚度和扭转要求证实了选用箱形截面的正确性[1][2],在斜拉桥主跨中采用三室箱截面,而在非斜拉的常规跨中用双室截面。

  钢箱梁宽12.5m,用S355J2G3级钢(根据UNE EN 10025)制成,具有半径为405m的弯底板,轴线处的最大高度为1.6m,在外腹板处的最小高度约为1.12m。混凝土板的厚度为0.2m,这意味着 轴线处的总高度为1.8m,外腹板处总高为1.32m。斜拉跨的典型横截面为三室,具有间距为1.5m的中腹板,斜拉索锚固其中。每腹板顶带有0.6m宽的金属翼缘板。在非斜拉跨中,箱梁成为双室,但其他特征和斜拉跨截面一样(图3)。

  

  设计包括分布间距为4m的全截面侧向加劲件。支承混凝土板悬臂的金属腹板与侧向刚架加劲件连续。拉索中的荷载通过箱梁的中腹板转移到板中。桥面上拉索的间距为7.55m,第一根拉索距离桥台1为10m,而第10根索离墩1为20m。

  HA-40混凝土板(根据西班牙钢筋混凝土和预应力混凝土规范EHE-98)设计成厚度0.2m,以最大限度地减轻桥面自重。该板借助原0.07m的预制混凝土板,在其上现场浇注,以避免需用支架。

  

  之所以选用钢塔,是基于与桥面截面采用钢的外表一致性。与设计者设计的其他斜拉高架桥的钢塔一致[3],本桥对从锚固点至塔的应力传递提供了一个简单的解决方案。高35.63m的钢塔,在离桥面4m处,埋入台1的台体中,而且向后倾斜(离开桥面)75o角(图4)。

  

  塔的横截面分为三个组成部分:中间的单元包括一个弯曲的边,其弦长随高度而变化(在2.278和0.975 m之间);其后面的一块直板也随高度而变化(在2.821和1.517m之间)。这两者间距1.2m,是主要的抗力单元。这个组成部件与两个平行于稳定拉 索的伸臂连续。伸臂的尺寸也随高度而变化(从2.676至1.250m)(图5)。因而,从前面和侧立面来看都呈线形变化。两伸臂在低端呈曲线延伸。

  

  在塔上的拉索布置成半竖琴式,第一根索离基础外15m(从斜轴线来量测),允许有足够的竖直间隙。塔上的索距为2.25m。由于给出的横截面尺寸较小,设计的拉索锚固在截面以外。锚固在塔和稳定块件上的背索为直线形。因此,背索形成双曲抛物线,从高架桥前方来看,提供了一个巨大的空间感。

  拉索体系

  Escaleritas高架桥采用的拉索是普通的钢绞钱——标准Y1860-15.7mm(面积150mm2,根据prEN10138-3),10根前索,20根稳定索。前索和背索在塔处均有可调节的锚具,以集中控制整个张拉过程。外包的高密度聚乙烯(HDPE)防护套上具有波纹,以避免在风雨条件下发生振动。在靠近桥面的索节段上增设2m高的防破坏不锈钢管。

  墩和台

  基础

  La Ballena沟壑的基岩,从中部地区直至东侧山坡为胶质砂砾岩,西侧山坡为泥质砂岩。在此层的顶部,有极不相同性质的填料,主要是人工填料。

  因此,直接基础仅可能用于台1(在胶质砾岩上),对其他支承,必须用深基础(直径1.8m的桩)。

  

  桥面安放在墩的单支座点上,以得到最大可能的侧向可视性,并创造桥面下的透明空间。因此,三个桥墩为单圆柱形墩身,使用HA-30级钢筋混凝土(根据EHE-98),直径为2.0m(等截面)。柱高分别为:墩1和墩3仅12m,墩2仅11m(图6)。

  

  台1

  Escaleritas 高架桥的台1是相当不寻常的,由主台身、背稳定块件和连接梁三个钢筋混凝土构件组成,它们是清晰的三维并在结构上互相关联。前墙高近14.5m,厚 1.6m,其作用如同挡土墙,其上为支承桥面。在前墙的后面,也在基础的顶部,有一混凝土块体(长6.4mx宽16m),组成了塔的支承基础,把竖直的作用力传递到基础。

  在台的后部有两个长方形块体,12m见方、高8.5m的基础,两者轴距21.8m(图7)。这些块体用来锚固塔的稳定背索。为此目的,在每个锚体中设计了空室。体块由长9.8m 的系梁连接,其长方形横截面高3m、宽2.5m。此外,每个块体通过一个梁(宽4.2m,高3m)与台主体相连。

  台2

  台 2位于La Ballena沟壑的东侧山坡。因为这一山坡坡度缓和,台后需要在自然地面以上12m填土,以提供通道。采用桩基桥台方案,以加劲土墙来稳定填土,其作用独立于桥面的支承。因此,台2由两根直径为2m的、与墩柱具有相同特征的竖直圆柱形柱组成。柱间距15m,来固定桥面以抗扭。

  

  施工工艺

  对地面以上高度不大的结构,最合适的方法是用起重吊车来安装桥面。全跨设临时钢墩以缩短自由跨径(图8)。塔的安装与桥面吊装同时进行,也分成节段吊装。

                              

  在紧接着的混凝土浇注后,对金属桥面结构进行第一阶段张拉,以补偿应力。第二阶段张拉影响背索和最后5根前索,在沥青铺筑以及路面、缘石和栏杆安装之前进行。在作用了所有的恒载后,最后5根索(包括前、后索)进行最后一次的张拉。

  桥面板分为两次浇注。第一次是中间板(从跨中到桥墩),一旦组合截面形成后,浇注悬臂。在浇注悬臂的混凝土后,拆除临时支架。此时,主跨的桥面横截面和拉索承受全部荷载。最后,进行必须遵循的静动载试验,得到桥梁满足需要的性能。

  结构分析

  桥面的计算模型

  对影响桥面、拉索和塔内力的总体计算,建立了一个三维梁的模型。该计算模型考虑了施工阶段,因为在施工过程中静力的图式是不同的。也计算了通过实际混凝土浇注过程的组合截面的演变,以及由于混凝土板的徐变,内力发生重分布。

  拉索的非线性特征,主要发生在施工过程第一阶段期间的较低应力范围中,通过割线模量的组成,并将索的有效最终外形近似为抛物线来加以考虑[4]。对整个桥面,建立壳有限元模型来分析桥面荷载的横向分节,来补充纵向梁模型提供的信息(图9)。

  

  塔的设计

  稳定拉索便于有效控制塔的不同截面的应力分布,如同它减少由桥面悬挂荷载引起的应力一样。塔对活载的响应分析表明,塔基的弯曲力是不能省略不计的。由于这个理由,背索系统是这样的设计:塔中引起的弯曲力应稍高于由活载引起的弯曲力,以避免高压应力与高拉应力的周期交替。

  建立有限元模型,使用4节点、100mm x100mm的板单元来表示全塔,连接拉索的横隔梁也包括其中。根据所进行的不同分析,拉索的刚性横向和纵向支撑完全不会出现任何总体失稳的危险。

  张拉工程

  一旦施工过程完全确定,制订张拉过程。在这种情况下,用形成的悬链线索来得到锚固处的索角[5]。图10表示每索的理论索力(从桥面纵向计算模型中得到)和从现场测量得到的轴力的比较。由图可见,在前索和背索中计算模型的精度和张拉过程的可靠性。每索的最大偏差小于10%,平均偏差小于1%。

  索的最大应力在通常0.4~0.45fu范围内。因此,疲劳不控制索的设计。分析预期,活载和恒载以及永久荷载的比例,在本桥索力中为0.35。

  

  结语

  Escaleritas高架桥阐释了将主要道路基础设施集合在城市环境中的巨大潜力。高架桥已经成为城市的另一条路,21.5m宽即能适应两侧为宽的路面、中间部分为人行道的双行车道。Escaleritas高架桥的塔的合理形状、斜拉索设计成沿桥面中轴布置,以及桥面轻置在桩上,这一切为西班牙Las Palmas de Gran Canaria市提供了耳目一新的清晰线形和现代化的印象(图11)。   
               
  

 
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