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1、第3 6 卷增刊建筑结构 2 0 0 6 年6 月 东海大桥桥头堡的索结构设计计算 王洪军张其林 ( 同济大学土木工程学院建筑工程系上海2 0 0 0 9 2 ) 【提要东海大桥桥头堡是东海大桥海陆交接处的一景观工程，结构彤式为索拱结构体系，由于建筑造型 的要求，结构整体性较差，刚度较弱。着重介绍了该工程索结构的讨算设计，以及在设计阶段充分考虑施 工工艺的全过程设计方法。 ( 关键词索拱结构索结构索力确定旋工过程分析 D e i g na n dC a J c n l a f i o no ft h eC a b l eS t r n e t u r eo ft h eD o n g l I
2、a lB r i d g eB r i d z e h e a d W a n gH o n g j u n ，Z h a n gQ i l i n ( D e p a r t m e n to fB u i l d i n gE n g i n e e r i n go fT o n a lU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h eD o n g h a iB r i d g eB d d g e h e a di sas i g h tp m j e c ta tt
3、h ep o i n tw h e r et h el a n da n dt h es e am e o n n e e t e d I t i sac a b l e a r c hs t r u c t u r e B e c a u s eo ft h ed e m a n do fa r c h i t e c t u r a ls h a p e t h es t r n c t u r eh a sBb a de n t i r e n e s sa n dw e a k r i g i d n e s s T h ed e s i g na n dc a l c u l a t
4、 i o no ft h ec a b l es t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e dc o n s i d e r i n gt h ew h o l ec o n s t r u c t i o np r o c e s s i nt h ed e s i g n K e y w o r d s ：c a b l e a r c hs t r u c t u r e s ；c a b l es t n l e t u r e s ；e a b t ef o r c e ；c o n s t r u c t i o np r o c e s sa n
5、 a l y s i s 1 工程概况 东海大桥桥头堡工程位于芦潮港东海大桥7 1 7 3 号桥墩处，是东海大桥海陆交接处一景观工程。结构 形式为索拱结构体系，主体结构由四部分组成，分别 为拱、钳、连接拉索和主拉索，施工完成后的结构见 图I 。 主拱跨度4 5 m ，拱所在平面向陆地方向倾斜，与 地面呈5 0 0 夹角，拱截面形式如图2 所示，6 根4 , 2 7 3x 1 2 和6 根由1 5 9 8 间隔布置，并与环向4 , 2 7 3x 1 2 管 半相贯连接，主拱刚接于地面，并在拱身下部离支座 64 m 高度处设置侧向支腿以增加拱的侧向刚度。针 体呈纺锤状，向海面方向侧倾4 5 。，下
6、端销接于混凝 土墩台上的三脚支架上，上端一侧通过9 根跨度约 5 0 m 的连接拉索与主拱连接，使得主拱和针体自重产 生的侧倾力相匣抵消。针体上端另一侧设置一根方向 图1 吊装完成后照片 圉2 主拱断面圈 相反的稳定接地索锚固于地面，从而形成稳定的受力 体系。但同时也可以看出，在该结构体系中，拉索并 不是额外增加体系刚度的附擒构件而是不可缺少的主 体构件，所以结构的整体性较差，各部位各方向的刚 度严重不均。由于这是一个景观建筑，建筑视觉效果 是第一位的，结构合理性只能屈从于建筑要求。 由于该结构施工时，大桥主体结构已经完工，在 不影响通车的情况下只能选用整体吊装的方式，所以 设计阶段必须充分考
7、虑这一施工工艺。 2 结构计算 张拉结构体系区别于常规结构的一个重要方面就 是结构在施工完成之后内部存在初始预张力。为了便 于分析和叙述，一般将张拉结构定义如下三个不同状 态：1 ) 零状态，此时的结构是加工放样后的索段和构 3 一】0 1 件集合体，不存在预张力，不承受外部荷载和自重作 用；2 ) 初始状态，屉结构仅在预张力和自重作用下的 平衡状态，不考虑外部荷载的作用，提供了分析结构 在外部荷载作用下所需的所有初始条件，即节点几何 坐标和构件预应力值等；3 ) 荷载态，是结构在外部效 应作用下所达到的平衡状态，分析工作状态可得到结 构在外部效应作用下的位移、内力等一系列反应。 在设计阶段张
8、拉结构一般都要进行两个状态豹分 析计算，即基于零状态的初始态确定和基于初始态的 荷载态分析。 2 1 初始态确定 按照预张力对结构刚度的贡献张拉结构大致可以 分为：刚性结构、半刚性结构和柔性结构。依靠屋盖 结构重量提供竖向刚度的悬挂结构属于刚性张拉结 构；斜拉结构、张弦梁、索- 拱结构中的刚度既来自 于构件截面又来自于索的预张力，属于半刚性张拉结 构；单层索网、平面或空闻索桁架、张拉整体结构， 以及张拉索膜结构的刚度主要来自于索、杆、膜中的 预张力，届于柔性张拉结构。 刚性张拉结构中柔性构件的预张力是在施工过程 中被动导入的，在结构布置确定的情况下，预张力的 大小和分布只决定于结构的特性，不受
9、设计人员的主 观因素的影响。并且一般不会造成较大的几何变位， 可以采用近似位移协调原则确定初始态的预张力分 布。近似位移协调原则是假定结构刚度较大，可以忽 略结构零状态到初始状态的几何变形，从而可以采用 线性理论直接计算施加预张力引起的结构内力。而半 刚性和柔性张拉结构中柔性构件的预张力是在施工过 程中主动导人的，它不仅影响到结构的剐度、承载力 和稳定性，还会造成不可忽略的较大几何变形，以至 影响到结构的空间形态，所以这类张拉结构的初始预 张力大小和分布必须合理确定，并且分析时需采用精 确的位移协调原则。精确位移协调原则是考虑顶张力 施加后的结构变形，求得的初始态内力是严格满足平 衡条件的。
10、一般情况下，张拉结构的初始预张力确定需满足 以下几点要求： ( 1 ) 初始预张力施加完成之后整个结构必须满 足既定几何形态的要求。对于柔性张拉结构来说，往 往需要通过多次迭代来确定结构的零状态，以使初始 预张力施加造成的结构位移与零状态和初始态的位形 差相抵消。 ( 2 ) 预张力的大小和分布应满足荷载态分析时 的构件应力和变形的要求，索不出现松弛，或者即使 部分松弛但不影响整体结构的稳定性，也就是满足规 3 1 0 2 范规定的承载能力和正常使用要求。 ( 3 ) 同类构件的预张力水平趋于一致。小呵有 巨大悬殊。初始预张力分布不均将造成结构刚度不 均，进而造成荷载效应的集中，带来安全隐患。
11、 ( 4 ) 在满足以r 要求的情况下预张力水平应尽 可能低。过高的预张力水平将造成过高的内耗。节点 构造处理也较困难。 在东海大桥桥头堡索拱结构初始态确定肘，考虑 了三种方案。方案一是在接地锚固索中主动施加预张 力1 8 5 2 k N ，按照精确位移协调原则，求得各索初始 预张力如图3 所示。方案二是在9 根连接拉索中各施 加7 0 k N 的预张力，各索初始预张力如图4 所示。 图3 方案一初始态索力分布 圈4 方案二韧嫱态索力分布 方案一体系中的预张力便于施加，但9 根连接拉 索中的初始张力分布不均匀，在目前的预张力水平 下某些荷袭工况下中间三根连接拉索出现松弛。方 案二的9 根连接拉
12、索韧始张力均匀，在各荷载工况下 最小索力维持在2 2 7 k N ，比较台理，但因高空张拉， 实际施工操作较困难。 综合上述两个方案的优缺点，最终选用了方案 三，同时也确定r 方便操作的张拉方案。方案三是将 9 根连接拉索的零状态放样长度设定为南方案二的初 始态结果求出9 根连接拉索的零状态长度，在接地索 中施加与方案一相同的1 8 5 2 k N 初始张力。经分析 各索初始预张力如图5 所示，连接拉索索力分布均 匀，且便于张拉，符合合理预张力确定的原则。 2 2 荷载态分析 1 菏载取值 恒载：包括结构自重和悬挂物重；其中悬挂物重 为4 个2 k N 的集中荷载，施加于拱跨内。活荷载：检 修
13、荷载取1 k N 3 m 。风荷载：基本风压0 6 k N m 2 ，地 面粗糙度类别为A 类，风载直接作用于杆件表面，体 型系数取0 7 。根据结构布置特性确定Y 正向、y 负 向、z 正向三个风攻角。温度作用：升温2 5 0 C ，降温 2 5 。地震作用：抗震设防烈度7 度，设计基本地震 加速度0 1 0 9 ；场地类别类，设计地震分组一组； 阻尼比0 0 2 ；按l 海规程计算。 2 荷载组合： 1 ) 1 2 恒载+ 1 4 活载；2 ) 12 恒载+ 14 风载； 3 ) 1 2 恒载+ 1 4 温度；4 ) 1 2 恒载+ 1 4 风载+ 1 4 07 温度；5 ) 1 2 恒载
14、+ 1 4 风载+ 1 4x 0 7 活载； 6 ) 1 2 恒载+ 1 3 水平地震+ 0 5 竖向地震。 3 主要计算结果 由于结构的整体性较差刚度较弱，温度和地震荷 载的效应很小，影响结构反应的主要是风荷载。在顺 桥向风作用下，拱顶点最大顺风向位移4 1 9 m m ，竖 向位移2 1 6 m m ；针体顶点最大顺风向位移1 9 9 m m ， 竖向位移1 9 2 r a m 。在侧向风作用下，拱顶点最大侧 向位移5 7 2 m m ，针体顶点侧向位移1 3 6 2 m m 。按照 竖向悬臂构件计算，结构最大水平位移为4 3 6 ；按 照水平构件计算，结构最大竖向位移为L 20 8 3
15、，满足 规范要求。 结构构件在各种荷载组合作用下的最大稳定应力 比为0 8 6 ，出现在主拱轴向杆与单管柱脚交接部位。 3 节点设计 节点设计应做到：符合计算模型的受力模式，构 造台理、耐久可靠，便于施工安装。 31 半相贯节点 景观设计要求拱轴向管与环管为半相贯连接，如 图2 所示，这种连接方式削弱了节点区的刚度，容易 造成应力集中，不和于荷载效应的传递。由于设计周 期很短，无法进行试验验证，只能通过有限元数值模 拟指导该节点的构造设计。A N S Y S 的有限元分析结 果如图6 所示。轴向管束造成环管受力较复杂，在相 贯线周围出现应力较高区域，局部应力接近钢材屈服 应力( 3 4 5 N
16、 m 2 ) ，所以采用了图6 所示的加强措施， 用一段“瓦片状”半管加强轴向管以防其局部受压 屈曲，环管中沿环向插入一块加劲板，以减小相贯线 部位的应力峰值。 图6 半相贯节点应力云图 3 2 拱脚节点 工程拱脚节点为刚接节点，同时结构的安装方案 为整体吊装。设计初期曾设计该节点为法兰节点，但 整体吊装后实现法兰连接非常困难，尤其是每侧拱脚 都有两个法兰更增加了该方案实现的难度。为此，拱 脚设计为如图7 所示形式，相应的具体施工方案为：首 先完成第一次浇注和埋件设置，主拱竖直起吊，就位时 先将主拱脚销接于埋俘，然后向支腿方向侧倒，将支腿 与埋件焊接，完成施工第一阶段施工，在该状态下拱脚 均为铰接，经验算，撤去吊车后结构和基础均安全。 4 小结 东海大桥桥头堡是一个结构整体性较差、刚度较 弱的预张力索拱结构，初始预张力不仅影响到结构的 ( 下转第3 - 8 7 页) 3 1 0 3 C E C S 规程在计算位移和应力时是将两片玻璃等 效成一片玻璃，通过等效厚度进行计算，
