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        雙塔雙索面支座體系混合式結(jié)合梁斜拉橋設(shè)計

        2014-05-09 08:26:02程應(yīng)剛
        交通科技 2014年3期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        謝 波 程應(yīng)剛

        (中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司 武漢 430050)

        洸府河大橋位于濟寧市城市主干道太白樓東路和河?xùn)|規(guī)劃的詩仙路上,橫跨洸府河、九九集團鐵路專線及日菏電氣化雙線鐵路,是濟寧市完善城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu),形成貫穿東、西城區(qū)的城市中軸線的重要通道。

        1 工程建設(shè)條件

        橋位處洸府河河面約70 m,該河段平時水深較淺,現(xiàn)狀不通航,遠期規(guī)劃為V級航道。

        橋位處日菏鐵路和九九集團專線共有3股鐵軌平行布置,路基總寬約60 m。

        橋址區(qū)地層主要以沖洪積粘性土及砂土為主,地層穩(wěn)定,工程性能較好,適宜開展工程建設(shè)。

        2 主要技術(shù)標準

        (1)道路等級:城市主干道。(2)設(shè)計荷載:城-A級。

        (3)設(shè)計行車速度:60 k m/h。(4)地震烈度:基本烈度6度,按7度設(shè)防。(5)橋面寬度:全寬40 m,雙向6車道,兩側(cè)設(shè)人行道和非機動車道。

        (6)橋下凈空:上跨鐵路凈高不小于7.96 m。

        (7)橋梁坡度:考慮非機動車及行人通行需要,縱坡不大于2.5%;橫坡為雙向2.0%。

        (8)通航標準:V級航道,通航凈寬不小于45 m,凈高不低于5 m。

        (9)水文:最高通航水位+36.29 m,設(shè)計水位+41.50 m。

        3 總體設(shè)計

        3.1 平面設(shè)計

        橋梁中線位于平面直線段上,與洸府河夾角約73°,與3股鐵路線夾角約18°。

        3.2 縱斷面設(shè)計

        縱斷面設(shè)計主要控制因素有3點:

        (1)上跨洸府河時能滿足水利防洪及V級航道通航要求。

        (2)上跨3股鐵軌時軌頂至鐵路建筑限界頂不小于7.96 m。

        (3)施工時主橋梁底需要的操作空間及運營期間梁底檢查維修設(shè)備空間,綜合考慮按2 m預(yù)留。

        3.3 橫斷面設(shè)計

        主橋橫斷面全寬40 m,具體布置為:0.25 m欄桿+2 m人行道 +3 m非機動車道 +3 m拉索區(qū)+23.5 m機動車道+3 m拉索區(qū)+3 m非機動車道 +2 m人行道+0.25 m欄桿。

        4 主橋設(shè)計

        4.1 橋跨布置

        基于鐵路運營安全考慮,主橋需一跨跨越3股鐵路線,橋墩位于路基邊坡以外。由于橋梁中軸線與鐵路斜交角僅18°,主跨跨徑須布置在320 m左右才能滿足一跨跨越鐵路線的要求。主橋邊跨主要服從結(jié)構(gòu)受力要求,兼顧河道行洪、通航及景觀。綜合比較,主橋主跨選擇320 m合理且經(jīng)濟,具體孔跨布置為(60 m+80 m+320 m+80 m+60 m)=600 m,邊跨在靠近主塔80 m處設(shè)輔助墩。主橋立面、平面布置見圖1。

        圖1 主橋立面、平面布置圖

        4.2 橋型方案及結(jié)構(gòu)體系

        對于橋型方案的選擇,根據(jù)前期研究的成果,綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)及景觀等因素,確定采用雙塔雙索面斜拉橋方案。

        主橋上跨3股鐵路線,其施工必須充分考慮鐵路正常運營的要求,以及對鐵路安全行車的影響,經(jīng)比較,結(jié)合梁方案是最為合適的。中跨主梁采用鋼-混凝土結(jié)合梁,先逐段吊裝并現(xiàn)場栓接拼裝鋼梁節(jié)段,然后施工混凝土橋面板,可以滿足鐵路正常運營需要并最大程度減小對鐵路安全行車的影響。同時橋面瀝青混凝土直接鋪裝于混凝土橋面板上,橋面易于實施、使用和養(yǎng)護。邊跨主梁與鐵路互不影響,主要考慮滿足結(jié)構(gòu)受力及經(jīng)濟因素,采用混凝土梁。

        受限于結(jié)構(gòu)布置,主橋只能選擇塔梁固結(jié)、墩梁分離的支座體系,需要重點解決的問題是主塔墩處需選用豎向承載力約160 MN的特大型支座。在本項目之前,京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋已成功使用豎向承載力達到180 MN的球型鋼支座,故本橋結(jié)構(gòu)采用支座體系有可靠的技術(shù)支撐。主橋確定采用雙塔雙索面支座體系混合式結(jié)合梁斜拉橋方案,在國內(nèi)尚屬首次運用于工程實踐,不僅具有非常鮮明的技術(shù)特點,也是一項頗具難度的斜拉橋工程。

        4.3 中跨結(jié)合梁鋼主梁

        中跨鋼主梁由鋼邊箱、鋼橫梁、鋼托架及鋼小縱梁組成。鋼主梁全寬38.5 m,中心線處梁高2.354 m,2片鋼邊箱中心距26.5 m。鋼邊箱節(jié)段長10.5 m,順橋向每隔3.5 m設(shè)鋼橫梁和鋼托架。鋼主梁標準橫斷面見圖2。

        圖2 鋼主梁橫斷面圖(單位:mm)

        鋼邊箱為單箱單室截面,中心線處高2 075~2 093 mm,2腹板內(nèi)側(cè)凈寬1 300 mm,頂、底板寬2 060 mm。頂板厚20 mm,鋼混結(jié)合段加厚至32 mm,腹板厚32 mm,底板共采用5種厚度:從大到小為50,44,40,36,32 mm。經(jīng)過對常見的鋼梁上斜拉索的錨固方式研究比選,采用鋼邊箱內(nèi)部設(shè)置鋼錨箱的方式錨固中跨結(jié)合梁斜拉索[1-2]。

        鋼橫梁采用工字形截面,跨中高2 354 mm,橫梁上翼緣厚20 mm,底板厚28 mm,腹板厚16 mm。為方便制造和運輸,橫梁分成3段,用高強螺栓拼接,橫梁與鋼邊箱也用高強螺栓拼接。

        鋼托架設(shè)置在鋼邊箱外側(cè),用以承受非機動車道及人行道的荷載,采用變高度的工字形截面,上翼緣厚16 mm,底板厚16 mm,腹板厚12 mm。托架與鋼邊箱采用高強螺栓拼接。

        為方便混凝土橋面板縱向濕接縫的澆注,在橫梁間對稱設(shè)置3道小縱梁,作為現(xiàn)澆縫的底模。小縱梁高500 mm,采用“工”字形截面,上翼緣厚12 mm,下翼緣厚12 mm,腹板厚12 mm,與橫梁上對應(yīng)位置的加勁肋采用高強螺栓拼接。

        中跨鋼主梁各板件采用Q370q E鋼材;高強螺栓等級10.9S,M24螺栓采用20 Mn Ti B,M30螺栓采用35 VB;設(shè)在鋼梁頂面上的剪力釘采用材質(zhì)為ML15的電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘。

        4.4 中跨結(jié)合梁混凝土橋面板

        中跨混凝土橋面板分為預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分(濕接縫)。預(yù)制部分采用C50混凝土,厚0.23~0.36 m,板邊緣設(shè)有鋸齒形剪力鍵。為減少混凝土收縮、徐變對結(jié)構(gòu)的影響,每塊預(yù)制板在吊裝上橋之前,必須保證存放6個月以上?,F(xiàn)澆部分采用C50微膨脹混凝土,厚0.36 m,通過設(shè)在鋼梁頂面的剪力釘與鋼主梁結(jié)合在一起。混凝土橋面板采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系,以解決其受拉問題。

        為保證預(yù)制板與鋼梁頂緣之間的密貼,在鋼梁外緣粘貼有橡膠帶,一防現(xiàn)澆濕接縫砂漿外溢,二防水浸銹蝕鋼梁。

        4.5 邊跨混凝土主梁

        邊跨主梁采用C50混凝土,為預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu),全長146.9 m,伸入中跨7 m。主梁全寬40 m,橋梁中心線處梁高為2.7 m,主塔附近梁高增至3.7 m以滿足結(jié)構(gòu)受力需要。主梁在斜拉索錨固處及斜拉索中間均設(shè)有一道橫梁和懸臂托架,間距均為4.5 m。

        矩形邊主梁標準寬度3 m,在邊墩、輔助墩及主塔附近加厚至4~5 m。標準頂板厚0.25 m,標準橫梁厚0.3 m,懸臂托架厚0.22 m。矩形邊主梁底設(shè)有斜拉索錨固齒塊。混凝土主梁標準橫斷面見圖3。

        圖3 混凝土主梁橫斷面圖(單位:c m)

        4.6 主梁鋼-混結(jié)合段

        鋼-混結(jié)合段是主梁受力的關(guān)鍵部位,位于主塔中心線往中跨一側(cè)7 m處。鋼-混結(jié)合段采用鋼邊箱埋入混凝土邊主梁的方式,埋入部分長2 m。為確保結(jié)合部有效傳力,將鋼邊箱的頂、底板伸入混凝土2 m,腹板及其加勁肋伸入混凝土1.5 m。伸入混凝土的鋼邊箱板件內(nèi)、外側(cè)均布置剪力釘,確保鋼邊箱與混凝土可靠結(jié)合[3-4]。主梁鋼-混結(jié)合段構(gòu)造見圖4。

        圖4 鋼-混結(jié)合段構(gòu)造圖(單位:c m)

        在結(jié)合面處設(shè)置100 mm厚的承壓板以減小混凝土的局部壓應(yīng)力,鋼邊箱內(nèi)設(shè)置加勁以將其傳遞來的軸向力分散到承壓板上。鋼邊箱頂板、腹板及底板上均開設(shè)多排直徑190 mm的圓孔,方便混凝土的輸送、流動及振搗工作,同時保證混凝土澆注過程中排氣順暢。

        4.7 斜拉索

        本橋斜拉索無特殊環(huán)境要求,主要考慮斜拉索的安裝方便、快捷,采用常規(guī)成品高強熱鍍鋅平行鋼絲拉索,鋼絲抗拉強度為1 770 MPa,拉索外用HDPE護套保護,護套外表設(shè)螺旋線以抑制余振的產(chǎn)生。主塔旁梁上索距17 m,中跨結(jié)合梁上索距10.5 m,邊跨混凝土梁上索距9 m,塔上索距2 m。全橋共有斜拉索112根,分為14種規(guī)格,從121絲到349絲。

        4.8 主塔

        主塔為H形鋼筋混凝土塔,全高77 m。每座主塔設(shè)一道開口板式上橫梁,并在上橫梁上部和下部分別設(shè)置半橢圓形裝飾構(gòu)件,上橫梁為壓應(yīng)力構(gòu)件。塔柱為四角倒圓的矩形空心截面,等截面布置,橫橋向?qū)? m,壁厚0.7 m,縱橋向?qū)? m,壁厚1.2 m。塔柱上部矩形箱室內(nèi)設(shè)有斜拉索錨固齒塊,錨固區(qū)水平內(nèi)配置了縱、橫向預(yù)應(yīng)力筋,用以抵抗箱形截面上四壁的拉應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力筋采用直徑32 mm高強精軋螺紋粗鋼筋。

        主塔豎向受力主筋采用直徑32 mm鋼筋,直螺紋連接接頭,主塔箍筋直徑為20 mm。

        4.9 基礎(chǔ)

        主橋主墩采用板式橋墩,橫橋向整體呈U形,分離的2個墩柱與混凝土主梁2個邊主梁對應(yīng),墩柱下部為整體。單個墩柱橫橋向?qū)? m,順橋向?qū)?9 m。承臺外形尺寸為32.5 m×26.2 m,厚5 m,下設(shè)28根直徑2.8 m鉆孔樁。主橋輔助墩和邊墩均采用分離式花瓶形板式橋墩,每橋墩下設(shè)6根直徑1.5 m鉆孔樁。

        4.1 0 結(jié)構(gòu)計算

        靜力計算最不利工況下:中跨鋼主梁最大壓應(yīng)力158 MPa,最大拉應(yīng)力48 MPa;中跨橋面板最大壓應(yīng)力11.3 MPa,最小壓應(yīng)力0.15 MPa,未出現(xiàn)拉應(yīng)力。邊跨混凝土梁最大壓應(yīng)力14.4 MPa,最大拉應(yīng)力0.7 MPa。主塔根部最大壓應(yīng)力13.7 MPa,最小壓應(yīng)力5.8 MPa,未出現(xiàn)拉應(yīng)力。斜拉索最大應(yīng)力686 MPa,最大應(yīng)力幅177 MPa。靜力計算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)受力良好,滿足要求。本橋同時進行了動力分析,結(jié)果表明其抗風、抗震性能良好,滿足要求。

        5 結(jié)語

        雙塔雙索面支座體系混合式結(jié)合梁斜拉橋橋型為國內(nèi)首創(chuàng),結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)難度大、設(shè)計復(fù)雜,在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平,其設(shè)計及建造技術(shù)為相似建設(shè)條件下采用斜拉橋方案提供了寶貴的工程經(jīng)驗。該橋設(shè)計方案于2012年3月取得國內(nèi)實用新型專利,設(shè)計方案及施工方法在2013年9月取得國內(nèi)發(fā)明專利。

        [1] 高宗余.青洲閩江大橋結(jié)合梁斜拉橋設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2001(4):13-16.

        [2] 李小珍,蔡 婧,強士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)型式的比較[J].工程力學(xué),2004(6):91-97.

        [3] 劉玉擎.混合梁接合部設(shè)計技術(shù)的發(fā)展[J].世界橋梁,2005(4):11-14.

        [4] 盧桂臣;鄒宏華.混合式斜拉橋鋼混接合段的優(yōu)化研究[J].中外公路,2006(3):156-159.

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