【樓莊鴻】韓國Dandeung獨(dú)塔式懸索橋
2011-09-30 來源:Bd&e
一座獨(dú)塔懸索橋即將于下月開始施工,它作為新的連接韓國南部島嶼的一部分,Hyum-sok choi解釋說。
隨著在南韓修建一座新的獨(dú)塔懸索橋,改善了至Gogunsan島運(yùn)輸連接。Dandeung懸索橋連接Sinsido和Munyeodo,將形成新的連接至Gogunsan島的中部節(jié)段的一部分——另外兩個(gè)節(jié)段將建立在陸地上,連接線修建開始于2009年11月,橋梁的施工于下月(6)月開始,計(jì)劃于2113年12月完成。
將橋梁設(shè)計(jì)成獨(dú)塔,主纜具有不對(duì)稱的外形,目前,獨(dú)塔懸索橋僅出現(xiàn)在西班牙、中國和美國——所有三座橋?qū)⒃诒緜€(gè)10年中完成或仍在施工中。Dandeung橋的跨徑為400m,將是該橋型中的世界最大者。
首先Dandung橋準(zhǔn)備建成一座雙塔主跨220m帶有兩個(gè)邊跨的自錨式懸索橋,但這個(gè)概念需加以變更以避免在水中的施工作業(yè)。在現(xiàn)場,海中水很深,并由強(qiáng)和快速的水流。此外,原理啊設(shè)計(jì)相當(dāng)傳統(tǒng),修改后的結(jié)構(gòu)預(yù)期吸引更多的旅行者。
結(jié)果,建成了主跨400m的獨(dú)塔懸索橋,這使承包商能避免困難的海洋條件,并提供一個(gè)地標(biāo)性的結(jié)構(gòu)以吸引旅客。目前,世界上僅有三座獨(dú)塔懸索橋,均未運(yùn)輸而建——西班牙的Vinalopo橋,主跨165m,中國管周的獵德橋,主跨219m,以及正在施工的舊金山Okland海灣橋,主跨385m。
如上所述,Dandeung橋的工地是有很差的海洋條件——海洋最大深度超過22m,流速大于2.2m/s,它經(jīng)歷的潮差5m。結(jié)果是橋梁基礎(chǔ)位于巖石露頭,以使施工工作能在干燥環(huán)境中進(jìn)行。
Dandeung橋的塔設(shè)計(jì)成A型混凝土結(jié)構(gòu),高105m,在尾部具有附加的D型塔柱,以家徽船帆。A型和D型的組合塔為不對(duì)稱的獨(dú)塔懸索橋在荷載作用下提供了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,并也試圖與地區(qū)的海洋風(fēng)景協(xié)調(diào)。
主纜安裝成兩個(gè)平面,吊桿連接在橋面得外側(cè)邊緣——這樣的布置將提高主纜和橋梁的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性。在橋梁發(fā)生事故堵塞一個(gè)車道時(shí),運(yùn)輸車輛能轉(zhuǎn)入另外的車道。而這在單主纜布置在橋梁中間時(shí)是不可能的。同時(shí),主纜設(shè)計(jì)安裝成傾斜的布置,在塔處,主纜間隔3m,在后錨處散開為11m,在前部為20m。
懸索橋的現(xiàn)有實(shí)踐是采用由直徑5-7mm鍍鋅鋼絲組成的平行鋼絲主纜。在過去20年中,鋼絲抗拉強(qiáng)度從早期的1600Mpa增至1998年日本明石海峽的1720Mpa。從那時(shí)起,橋梁鋼絲的抗拉強(qiáng)度繼續(xù)增加,直至數(shù)年前韓國光陽大橋設(shè)計(jì)采用的1860Mpa高強(qiáng)鋼絲。Dandeu橋主纜采用的鋼絲將進(jìn)一步提高,首次采用1960Mpa,在韓國,已生產(chǎn)這類鋼絲,并將用于設(shè)計(jì)。
用了高強(qiáng)鋼絲,主纜的尺寸將減小,減小了主纜的重量以及風(fēng)對(duì)主纜的阻力,主纜的設(shè)計(jì)拉力為76800km,鋼絲的允許拉應(yīng)力為784Mpa,安全系數(shù)2.5。采用1960Mpa的鋼絲,(譯注:在獵德大橋之前,中國已修建了主跨350m的佛山平勝大橋,為獨(dú)塔自錨式懸索橋)結(jié)果是主纜的直徑為380mm,截面由12束4032絲組成。與1760Mpa鋼絲相比較,主纜直徑減少7%,主纜總重減少17%,風(fēng)的阻力也因主纜面積減低而減小。
設(shè)計(jì)者對(duì)安裝的,建成采用短形布置,與傳統(tǒng)的六角形布置相比,有一定的好處。采用矩形方案,能使空中紡線法形成的平股數(shù)減少,在本橋狀況下由14束減為12束,這樣使主纜達(dá)到急需的線形時(shí)所需的對(duì)矢度調(diào)整的次數(shù)減少,縮短了施工的進(jìn)程。束股數(shù)的減少意味著索鞍和錨碇也能變小。
吊桿系統(tǒng)連接主纜和加勁梁,將梁的重量,交通荷載和活載傳遞至主纜。該系統(tǒng)包括索夾、吊索和錨杯。對(duì)于本橋,工程師們首次建議吊桿采用“中部適應(yīng)鎖芯”的鋼索(Centre Fit Rope Core,簡稱CFRC)。這類吊桿在韓國由Kiswire制作——它們類似于螺旋鋼絲線或封閉式鋼絞線索,但橫截面不同。CFRC索的表面是螺旋形的,因此任何振動(dòng)或者有風(fēng)引起的振響應(yīng)能得到控制,吊索的空氣動(dòng)力穩(wěn)定可充分地得到保證。同時(shí),在吊索的兩端錨固的排水由于螺栓豎直安裝而成的不需要。
對(duì)于橋面形式的選擇,考慮了三個(gè)主要準(zhǔn)則。第一個(gè)是抱枕梁的空氣動(dòng)力穩(wěn)定。大跨徑懸索橋的動(dòng)力穩(wěn)定,主要取決于風(fēng)速和形成設(shè)計(jì)有充分空氣的動(dòng)力穩(wěn)定性的能力。對(duì)最佳的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性,加勁梁的扭轉(zhuǎn)和顫振風(fēng)速必須高于設(shè)計(jì)風(fēng)速。再設(shè)計(jì)中,計(jì)劃了改善扭轉(zhuǎn)剛度的加勁梁形式。
第二個(gè)準(zhǔn)則是減小梁的重量。如果扭轉(zhuǎn)剛度增加,其截面面積也增加來提高梁的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性,梁的重量也將增加,其經(jīng)濟(jì)效益隨施工費(fèi)用上升而減少。如果梁的自重減少,減少加勁梁的重量同時(shí)保持空氣動(dòng)力穩(wěn)定性。
最后,第三個(gè)準(zhǔn)則是改善結(jié)構(gòu)的外形,選用的截面形式使橋梁的梁腹看起來良好,適應(yīng)于輕型體積。選用了帶兩邊箱梁橋面滿足了所有的主要考慮。
抗風(fēng)設(shè)計(jì)按照索支撐鋼橋設(shè)計(jì)指南(KSCE2006)進(jìn)行。從Gunsan氣象得到的長期資料分析,計(jì)算200年回歸期的基本風(fēng)速為34.3m/s,計(jì)劃的公路橋面高程處的設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算為44.9m/s,顫振安全系數(shù)通過Monte-Carlo法模擬,決定用1.26。對(duì)于全結(jié)構(gòu),顫振調(diào)研的風(fēng)速為56.6m/s。由于跨徑增大,風(fēng)氣候成為設(shè)計(jì)的更關(guān)鍵因素。
作為本橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)的一部分,進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和工程節(jié)段模型的風(fēng)洞試驗(yàn)。結(jié)果是,當(dāng)梁截面優(yōu)化時(shí),顫振風(fēng)速變快,而風(fēng)載系數(shù)變低。梁的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性得到改善,而其自重減小。
目前,橋面有以下不同的結(jié)構(gòu)類型——桁架。流線型箱梁,梯形箱梁或雙箱梁。用FluentCFD分析程序?qū)x擇空氣動(dòng)力穩(wěn)定性德梯形單箱和帶雙邊箱的鋼梁。從分析的結(jié)果看,梯形箱梁的顫振風(fēng)速為55m/s,沒有給出足夠的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行初步研究,然而嚇?biāo)肋呄淞旱奈呛舷?,顫振風(fēng)速高于60m/s,結(jié)果是加勁梁的橫截面設(shè)計(jì)成帶兩邊箱的梁。與梯形梁比,梁的重量減少19%,而阻力系數(shù)減少38%。
Dandeung橋塔的設(shè)計(jì),不僅確保獨(dú)塔懸索橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,而且成為模擬旅游的地標(biāo)。因此,塔設(shè)計(jì)成高105m的鋼筋混凝土結(jié)果。塔包括三個(gè)桿件——兩板主塔柱形成A型,其后面有一根附加的彎柱。三根柱的結(jié)合,給塔以船帆的外形,保證了不對(duì)稱懸索橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,與周圍環(huán)境的最大和諧。
在非對(duì)稱獨(dú)塔懸索橋的吻合,當(dāng)車輛荷載作用時(shí),梁的跨中豎直變位和塔頂?shù)盟阶兾灰笥讵?dú)塔兩個(gè)相似跨徑的懸索橋。為遠(yuǎn)應(yīng)其作用,塔的截面和剛度需予增大。
由于東橋有一根附加的塔柱,與僅有兩個(gè)塔柱相比較,主塔柱的橫截面可減小,在車輛荷載作用下,梁跨中的豎直變位可減少13%。裝備設(shè)兩個(gè)觀橋平臺(tái)。
橋梁現(xiàn)場的海洋條件是需要考慮的——有大的潮差和大于2.2m/s的流速。在這樣條件下水下混凝土作業(yè)是非常困難的,水下大的混凝土錨碇的施工會(huì)導(dǎo)致腐蝕。為避免這些問題,將錨碇的位置移置靠近島,那里的巖石條件可消除海下作業(yè),并保護(hù)海洋環(huán)境。采用矩形布置的束股,減少了束股數(shù),所需的錨碇體積也變小。隨著加勁梁重量的減小,主纜拉力也減少,錨碇重量也降低,設(shè)計(jì)了重力式錨碇每個(gè)承受超過120mn的主纜拉力。
用自爬式模板來修建塔,在塔柱四個(gè)不同高柱的四點(diǎn)安裝四個(gè)臨時(shí)支柱體系,以便在塔安裝控制D型柱的外形。采用激光和GPS系統(tǒng)來測量施工時(shí)的豎直度。
安裝主纜采用控制張拉的空中紡線法,而機(jī)械和系統(tǒng)都按韓國的1960Mpa高強(qiáng)鋼絲予以研制。用貓道的橫向通橋來控制其穩(wěn)定性。主跨梁分成11個(gè)節(jié)段制作,用能力為1200t的浮吊提升。最大的節(jié)段長48m,重340t。