某中承式鋼筋混凝土系桿拱橋主橋設(shè)計(jì)
2017-06-05
1 工程概述
某大橋主橋是橫跨湖嘉申線湖州段航道的一座中承式系桿拱橋，采用“飛鳥(niǎo)式”造型，外觀輕盈、優(yōu)美，并且能夠滿足湖嘉申線Ⅲ級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)造型與功能上的完美統(tǒng)一。
2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
2.1公路等級(jí)：全線按三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。
2.2設(shè)計(jì)行車(chē)速度：鎮(zhèn)西大橋計(jì)算時(shí)速采用20km/h。
2.3橋梁寬度：大橋全寬15.8m，其中行車(chē)道寬12m。
2.4設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅱ級(jí)；
2.5設(shè)計(jì)洪水頻率：1/50；
2.6通航標(biāo)準(zhǔn)：按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，橋下設(shè)計(jì)最高通航水位2.4m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），通航凈孔為60m×7m。
2.7地震動(dòng)參數(shù)：地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。
3 總體布置
該大橋主橋采用“飛鳥(niǎo)式”系桿拱，跨徑組合為34.5m+105m+34.5m，橋梁寬度15.8m，為柔性系桿剛性拱結(jié)構(gòu)。橋型總體布置見(jiàn)圖1。
3.1拱肋
該大橋主橋主拱為鋼筋混凝土拱肋，按無(wú)鉸拱設(shè)計(jì)，矢跨比F/L=1/4，拱軸線采用懸鏈線線型。拱肋截面為六邊形，其中拱、梁交接處以下至拱腳段采用實(shí)心截面，截面上、下底寬1.2m，中間寬1.4m，高1.85m；拱、梁交接處以上采用空心截面，截面上、下底寬1.2m，中間寬1.4m，高1.85m，頂、底板厚0.375m。拱肋在拱、梁交接處設(shè)2道鋼筋混凝土橫梁，2.0m×1.4m空心菱形截面，截面壁厚0.2m，在拱頂附近設(shè)4道直徑為0.7m鋼管“一字”橫向風(fēng)撐。
該大橋主橋邊拱為預(yù)應(yīng)力混凝土拱肋，矢跨比F/L=1/4，拱軸線采用圓弧線線型。拱肋截面為六邊形實(shí)心截面，上、下底寬1.2m，中間寬1.4m，高1.6m。拱肋跨間中部設(shè)一道鋼筋混凝土橫系梁，0.6cm×1.2m矩形斷面；拱肋端部設(shè)鋼筋混凝土壓重段。拱肋預(yù)應(yīng)力束采用15φs15.2mm鋼絞線，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa，采用一端張拉，一端埋錨，張拉端張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1395MPa。
3.2 吊桿
吊桿采用φ7mm鍍鋅鋼絲成品吊桿，外包熱擠聚乙烯防護(hù)，吊桿兩端采用冷鑄鐓頭錨固體系分別錨于拱肋及行車(chē)道橫梁，拱肋端為張拉端，行車(chē)道橫梁端為固定端。全橋共20對(duì)吊桿，采用等間距平行垂直布置的平面索形式，間距為4.0m。在吊桿設(shè)計(jì)中，邊吊桿的設(shè)計(jì)尤為重要。從已建成的多座同類(lèi)型橋梁來(lái)看，后期出現(xiàn)的問(wèn)題大多集中在邊吊桿上，因此本次設(shè)計(jì)對(duì)邊吊桿采用了以下措施：①適當(dāng)加大行車(chē)道縱梁尺寸。通過(guò)加大縱梁尺寸，提高縱梁剛度，極大的改善了邊吊桿的受力性能。經(jīng)計(jì)算，邊吊桿在最不利荷載組合作用下，安全系數(shù)為3.8，且其應(yīng)力變幅值僅為185MPa。②采用帶球鉸裝置的新型吊桿，使吊桿能適應(yīng)溫度變化下橋面系縱向位移，從而減小短吊桿因橋面縱向位移而產(chǎn)生的附加力，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。
3.3系桿及縱梁
系桿設(shè)置在橫橋向兩側(cè)鋼筋混凝土縱梁內(nèi)，為無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束即體外索，主橋共計(jì)2根系桿。每側(cè)系桿采用6束型號(hào)為PES15TU1-27經(jīng)過(guò)環(huán)氧噴涂及單根熱擠PE防護(hù)的鋼絞線成品索，采用兩端張拉，每束張拉力為2000kN。系桿兩端采用HVMXG.T15-27可換式系桿錨具錨固在邊拱肋端部，方便以后更換。通過(guò)調(diào)整系桿索力，用以平衡主邊拱水平推力的差值，從而抵消墩臺(tái)水平推力，以適應(yīng)橋位處軟土地基地質(zhì)條件。
縱梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，矩形截面，截面寬0.7m，截面高1.2m?？v梁在中跨拱肋與系桿交接處斷開(kāi)，并設(shè)置一道8cm的變形縫。
3.4橫梁及行車(chē)道板
行車(chē)道橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。橫梁縱橋向間距按4.0m布置。橫橋向橫梁全寬15.6m，兩吊點(diǎn)間距離14.4m。橫梁橫斷面采用T型截面，截面高度1.2m~1.33m，肋寬0.4m，預(yù)制翼板寬2.5m。橫梁預(yù)制吊裝后，橫梁與橫梁間通過(guò)1.5m寬行車(chē)道板現(xiàn)澆段連接。行車(chē)道板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板厚22cm。
3.5橋面系
主橋橋面鋪裝采用8cm厚C40鋼筋混凝土調(diào)平層，上鋪7cm厚瀝青混凝土橋面層。行車(chē)道兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土墻式護(hù)欄，護(hù)欄寬50cm。主橋共設(shè)4道伸縮縫，主橋兩端及拱、梁交接處各設(shè)一道。
3.6下部結(jié)構(gòu)
主橋下部中間兩主墩采用分離式拱座-承臺(tái)實(shí)體結(jié)構(gòu)。拱座高1.8m，橫橋向作成圓端頭；基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，樁基直徑1.5m，均為鉆孔灌注樁，樁頂配鋼筋混凝土承臺(tái)，承臺(tái)順橋向和橫橋向?qū)捑鶠?0.5m，承臺(tái)高2.5m。分離承臺(tái)間采用鋼筋混凝土系梁相連，系梁截面寬4m，高 2.5m。主橋下部?jī)蛇叾諡榻唤佣眨捎脝闻?柱樁柱式結(jié)構(gòu)，立柱直徑1.4m，樁基直徑1.5m，均為鉆孔灌注樁。
4 結(jié)構(gòu)分析
4.1結(jié)構(gòu)靜力分析
4.1.1計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)
主橋結(jié)構(gòu)縱向分析采用平面桿系有限元橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型采用主橋上、下部結(jié)構(gòu)（即拱肋-系桿-樁基-土抗力）聯(lián)合作用的整體計(jì)算圖式。拱肋取單片拱肋按無(wú)鉸拱計(jì)算；縱向柔性系桿按體外索計(jì)入；樁側(cè)土抗力按“m法”換算成支撐彈簧剛度，樁基礎(chǔ)視為彈性地基中的梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)。計(jì)算根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)全橋共劃分346個(gè)單元，其中橋面行車(chē)道梁元為134個(gè)，支承元為98個(gè)。計(jì)算圖示見(jiàn)圖4。
根據(jù)施工工序，計(jì)算分了8個(gè)施工階段和1個(gè)使用階段模擬主橋施工過(guò)程和成橋的使用狀態(tài)，全面分析了主橋整體受力情況。一期恒載為結(jié)構(gòu)自重；二期恒載為橋面鋪裝及防撞護(hù)欄重量。汽車(chē)活載按公路Ⅱ級(jí)車(chē)道荷載考慮，橫向分布系數(shù)按杠桿法計(jì)算，汽車(chē)活載沖擊系數(shù)采用結(jié)構(gòu)基頻進(jìn)行計(jì)算。溫度效應(yīng)按整體溫變±25℃計(jì)算，并按規(guī)范計(jì)入梯度溫度引起的效應(yīng)。吊桿與主拱肋及行車(chē)道縱梁間日照溫差按±15℃計(jì)算；縱向系桿與主拱肋及行車(chē)道縱梁間日照溫差按±15℃計(jì)算?；A(chǔ)不均勻沉降量按1cm計(jì)，采取單墩或隔墩形式，共計(jì)5組不均勻沉降。
4.1.2結(jié)構(gòu)靜力主要計(jì)算結(jié)果
主跨鋼筋混凝土拱肋承載能力極限狀態(tài)基本組合最大軸力為18260kN，小于截面承載力設(shè)計(jì)值28390kN，拱肋強(qiáng)度滿足要求。正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)影響下，主拱肋截面最大裂縫寬度為0.13mm，滿足規(guī)范要求。
邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土拱肋承載能力極限狀態(tài)基本組合最大軸力為17090kN，小于截面承載力設(shè)計(jì)值26570kN，拱肋強(qiáng)度滿足要求。正常使用極限狀態(tài)下短期效應(yīng)組合截面最小正應(yīng)力為1.0MPa，均大于0，滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求；截面最大正應(yīng)力為15.8MPa，滿足規(guī)范要求。
吊桿正常使用階段彈性組合時(shí)的最大拉應(yīng)力為413MPa，安全系數(shù)為3.8；系桿正常使用階段彈性組合時(shí)的最大拉應(yīng)力為642MPa，安全系數(shù)為2.9，均滿足規(guī)范要求。
4.2 穩(wěn)定分析
對(duì)于中承式拱橋，由于沒(méi)有拱上聯(lián)合作用，因此拱肋的穩(wěn)定性驗(yàn)算非常重要。風(fēng)撐的設(shè)計(jì)既要保證主拱的橫向穩(wěn)定，又要盡量簡(jiǎn)化構(gòu)造，增加行車(chē)視覺(jué)上的舒適感，并方便施工。因此本橋在設(shè)計(jì)時(shí)，主拱在橋面以上僅設(shè)置4道“一字”風(fēng)撐，橫向是比較簡(jiǎn)潔的。
主橋穩(wěn)定性分析采用空間有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間布置進(jìn)行模擬，拱肋、縱梁及橫梁等構(gòu)件采用空間梁?jiǎn)卧鯒U及系桿采用拉索單元。對(duì)于行車(chē)道板，將其剛度與質(zhì)量等效分配到縱梁及橫梁上。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果表明成橋狀態(tài)主橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)均大于4，滿足規(guī)范要求。
5 結(jié)束語(yǔ)
該大橋主橋采用“飛鳥(niǎo)式”系桿拱，設(shè)計(jì)新穎，視線通透，外觀輕盈、優(yōu)美。主拱肋采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與鋼管混凝土拱肋比，造價(jià)低，施工工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)省去了實(shí)際使用中鋼管拱肋的維護(hù)問(wèn)題，真正的實(shí)現(xiàn)了美觀與適用、經(jīng)濟(jì)的完美統(tǒng)一。最后，希望本橋的設(shè)計(jì)與建造能為同類(lèi)型橋梁提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2003.
[2]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社，2001.
[3]李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與震動(dòng)[M].北京：人民交通出版社，2001.
