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        預應力混凝土雙邊箱斜拉橋設(shè)計

        2015-08-15 00:51:34何耀煒蘇交科集團股份有限公司江蘇南京007北方國際合作股份有限公司北京00040
        江西建材 2015年24期
        關(guān)鍵詞:梁體斜拉橋拉索

        ■楊 文,何耀煒 ■.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 007;.北方國際合作股份有限公司,北京 00040

        近年來,雙邊箱主梁截面結(jié)構(gòu)重量輕、施工方便等優(yōu)點而在大跨度斜拉橋中被廣泛采用。由于斜拉橋主梁以受壓為主、受彎為輔、同時需要一定的抗扭剛度的受力特點,所以雙邊箱主梁設(shè)計中是比較理想的斷面型式。本文主要介紹了雙邊箱主梁的設(shè)計,針對超寬預應力混凝土雙邊箱主梁設(shè)計提出了需要特別注意的幾個關(guān)鍵點,并針對這幾個關(guān)鍵點的計算模擬提出了可行的方法和步驟。

        1 工程概述

        南屏大橋位于江蘇省海安縣通榆路,跨越栟茶運河,路線與河流夾角62 度。項目路建設(shè)標準城市主干道,設(shè)計時速60km/h,橋?qū)?總橋?qū)?9m,塔區(qū)局部加寬至51.2m。按雙向八車道布置,中間雙黃線0.5m,兩側(cè)快車道各14.75m,兩側(cè)各設(shè)置人行道2.5m、非機動車道4m,橋塔及保護區(qū)(引橋為側(cè)分帶)兩側(cè)各3m。荷載標準:城-A 級,人群荷載按城市橋梁設(shè)計規(guī)范選取。

        南屏大橋全橋跨徑布置為6 ×20 +(108 +46.1 +33.9)+2 ×20m,主橋為獨塔雙索面斜拉橋(主塔位于河北側(cè)),引橋為先張法預應力砼空心板梁橋。主橋和北側(cè)引橋位于直線段,南側(cè)引橋位于R=2400m平曲線上,縱坡分別為2.45%和2.48%,凸型豎曲線R=3500m。

        2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        根據(jù)本橋橋面過寬的特點,結(jié)構(gòu)體系確定為塔、梁、墩固結(jié)的獨塔雙索面斜拉橋,拉索呈扇形布置,梁體采用預應力混凝土雙邊箱梁,該體系整體剛度大,穩(wěn)定性好。同時,為提高整體剛度,在邊跨設(shè)置了輔助墩,邊跨利用邊箱內(nèi)設(shè)置壓重塊及引橋壓重來平衡斜拉索的垂直分力。

        為滿足通航要求,減小運營階段主橋墩柱對橋下航行的干擾,主孔跨徑采用108 米,一跨過河,邊跨80m。在邊跨80m 內(nèi)設(shè)一個輔助墩將邊跨分為46.1m+33.9m,以提高整橋的剛度,改善結(jié)構(gòu)受力,主跨和邊跨均設(shè)置16 根拉索。

        2.2 主梁設(shè)計

        主橋箱梁采用預應力混凝土雙邊箱梁結(jié)構(gòu),兩個邊箱梁為單箱雙室結(jié)構(gòu),頂面全寬49m(塔區(qū)通過加長懸臂局部加寬至51.2m),梁高2.99m,梁頂設(shè)2%橫坡(非機動車1.5%橫坡由鋪裝調(diào)節(jié))。邊箱梁的底板寬10.5m,頂板厚30cm,底板厚32cm,邊腹板厚40cm,中腹板厚100cm;兩個箱梁的中心線距為34.1m。箱梁外側(cè)懸臂翼板寬2.2m,懸臂板外端厚20cm,懸臂根部厚45cm。主梁縱向采用的鋼絞線類型為15 -9、15 -12、15 -16。兩個邊箱之間根據(jù)斜拉索在梁上的錨固位置設(shè)置橫隔梁;橫隔梁在橋面中心線處梁高為2.99m,橫梁標準腹板寬40cm,在邊跨配重段,橫梁寬1.2m。各類橫梁內(nèi)均布置15 -17 預應力鋼絞線。

        為平衡邊跨斜拉索的豎向分力,錨跨梁端部往輔助墩方向45.4m范圍內(nèi)箱室內(nèi)用混凝土實體塊進行壓重。

        2.3 主塔設(shè)計

        (1)主塔的設(shè)計思路。由于本橋是通往海安縣城主干線上的重要門戶,主橋景觀要求極高,為使行車視野開闊,橋塔挺拔,取消了塔頂橫撐,同時,也因取消了橫撐,對塔的穩(wěn)定性設(shè)計提出了更高的要求。

        對于有橫撐的斜拉塔,穩(wěn)定性計算時采用一端固結(jié)一端鉸接的模型被廣泛認可,而對于沒有橫撐的斜拉橋塔,因其有斜拉索的約束,應該采用何種方式進行桿件計算模擬一直存有著爭議。作者分析認為穩(wěn)定性計算時,斜拉索并不能對塔產(chǎn)生完全約束,歐拉公式,其中的μ 取值應該為2,即按一端固結(jié)一端自由的桿件來進行穩(wěn)定校核較為穩(wěn)妥,同時,綜合考慮塔內(nèi)錨固時拉索的張拉空間的需要,由此擬定本橋塔的結(jié)構(gòu)尺寸。

        (2)主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計。南屏大橋主塔采用C50 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),橋面以上塔高53m,橫橋向兩側(cè)塔柱的軸線間距為34.1m。上塔柱采用尺寸為7.5m×3.6m 的空心矩形斷面,下塔柱采用尺寸為7.5m×4m 的實心矩形斷面,塔壁厚度在斜拉索前側(cè)為1.5m,側(cè)面為1.0m。

        塔上拉索錨固點對稱設(shè)于箱內(nèi)壁槽口,為抵抗強大的拉索水平分力,上塔柱錨索區(qū)設(shè)置了“井”字形預應力,經(jīng)有限元分析,預應力配置量以控制砼主拉應力不超過規(guī)范容許值。

        索塔錨固區(qū)出現(xiàn)裂縫的主要原因之一是預應力失效,為安全起見,本次設(shè)計時采取如下措施:在塔的斷面構(gòu)造上,加大了四個倒角的尺寸,以減小塔的橫橋向跨徑從而減小錨固點的彎矩??紤]精軋螺紋鋼50%失效的情況下,錨固區(qū)部分仍有壓應力儲備。確保主塔混凝土在承受斜拉索荷載時不產(chǎn)生裂縫。

        主墩下塔柱采用C50 砼,為普通鋼筋混凝土,為使主墩軸力均勻傳至下部結(jié)構(gòu),在主墩下部承臺頂面設(shè)置混凝土基座,以使主墩內(nèi)力均勻擴散至承臺。

        3 結(jié)構(gòu)分析

        3.1 總體靜力分析

        采用平面和三維空間梁單元,建立MIDAS 2012 模型,根據(jù)施工階段和運營階段,按照各種荷載工況的最不利組合,對主梁進行計算分析。主要的作用和荷載如下:(1)恒載:結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮續(xù)編影響力及基礎(chǔ)變位影響力;(2)活載:汽車荷載和人群荷載,同時考慮汽車的沖擊力和制動力;(3)溫度作用:整體升降溫及局部溫差作用:(4)風荷載:考慮橋面高度處為25m/s 的運營風和百年一遇的設(shè)計基本風速兩種情況;按照風的方向和橋梁軸線的相對關(guān)系,分為順橋向風荷載和橫橋向風荷載;(5)施工荷載:計入模板及臨時安置主塔主梁結(jié)構(gòu)上的施工設(shè)備的重量。

        按照施工階段和運營階段,對以上作用和荷載進行最不利效應組合,主要有以下。計算結(jié)構(gòu)表明,強度、剛度均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

        3.2 主塔局部應力分析

        本橋梁體寬、重,導致拉索索力超常規(guī),設(shè)計時采用橋梁博士3.1對塔梁錨固區(qū)進行了應力分析。計算結(jié)果顯示,運營階段拉索側(cè)塔壁有4.8MPa 的壓應力儲備,側(cè)壁有0.4MPa 的壓應力儲備,塔結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生裂縫。

        3.3 穩(wěn)定分析

        本橋與其他已建成的斜拉橋相比,特點是梁體寬度大,上塔柱不設(shè)置橫向聯(lián)系,索塔穩(wěn)定至關(guān)重要。全橋整體穩(wěn)定:經(jīng)計算在恒載和活載作用下。

        4 施工方法

        本橋橋下航道尚未整治、河口較窄,故采用滿堂支架法施工,斜拉索張拉順序為從外到內(nèi),兩次張拉。滿堂支架施工時主梁縱向需要分段澆筑,受現(xiàn)場條件限制,河中支架采用鋼管樁加貝雷片支撐,預留臨時通航孔;岸上采用擴大基礎(chǔ)的滿堂支架施工方案。為防止梁體在不同支架分界面處產(chǎn)生裂縫,設(shè)計時考慮梁體施工段落劃分在不同類型支架的分界面上,以減少支架沉降對梁體的影響。

        考慮到本橋較寬,防止在施工階段因不均勻沉降使梁體產(chǎn)生裂縫,設(shè)計時考慮每段梁段澆筑完成后當混凝土強度達到設(shè)計要求后,即刻張拉該段梁段的橫梁預應力,另外,根據(jù)監(jiān)控計算結(jié)果,在濕接縫附近空出1 -2 個橫梁留待下段梁體澆筑完成后一起張拉,以減小張拉預應力后不同節(jié)段梁體橫向反拱差的影響。通過以上設(shè)計措施,盡可能降低因施工原因造成的梁體損害。

        5 結(jié)束語

        (1)南屏大橋作為預應力砼斜拉橋,橋?qū)掃_到49m,在國內(nèi)已建成的砼梁斜拉橋中并不多見,受力復雜,設(shè)計時綜合考慮多方因素,合理選用結(jié)構(gòu)尺寸,通過對其進行空間的受力分析,對預應力混凝土斜拉橋雙邊箱主梁的關(guān)鍵部位受力有了進一步的了解,同時也為類似橋梁的設(shè)計提供參考。(2)本橋較寬,上塔柱不設(shè)橫梁,塔柱穩(wěn)定計算時應考慮拉索保向力的作用。(3)本橋采用滿堂支架施工,采用支架現(xiàn)澆施工斜拉橋要特別處理好預應力施工的順序、預應力施加的大小、支架剛度、斜拉索張拉次序和張拉值等關(guān)鍵工序。

        [1]林元培,斜拉橋[M],北京:人民交通出版社,1997.

        [2]牛長彥,龍灣大橋混凝土雙邊箱主梁設(shè)計計算,中國市政工程,2013.

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