楊小強(qiáng)

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西　南寧　530029)

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三江龍吉風(fēng)雨橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析

楊小強(qiáng)

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530029)

文章結(jié)合廣西三江龍吉風(fēng)雨橋工程實(shí)例，介紹了該橋主橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，闡述了其主橋主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并通過(guò)靜力計(jì)算分析，驗(yàn)證了該主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性。

三江龍吉風(fēng)雨橋；風(fēng)雨橋；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；受力分析

0　引言

廣西三江龍吉風(fēng)雨橋主橋橋型為4跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，不同于常規(guī)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，其跨徑布置不對(duì)稱(chēng)，橋面上設(shè)置景觀塔樓，塔樓支撐在箱梁翼緣板上，造型具有侗族風(fēng)雨橋的民族特色。本文分析了主橋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，介紹了主要問(wèn)題的解決方案，以期為具有類(lèi)似構(gòu)造的橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

1　工程概況

三江龍吉風(fēng)雨橋位于廣西壯族自治區(qū)三江縣城至貴廣鐵路三江車(chē)站公路上，自北向南跨越尋江，距離上游西游大橋約2.5 km，是三江縣城通往貴廣鐵路三江車(chē)站的重要橋梁。作為旅客從高鐵站進(jìn)入三江縣城途徑的第一座大橋，該橋設(shè)置了頗具侗族特色的風(fēng)雨橋塔樓。全橋效果圖如圖1所示。

圖1　三江龍吉風(fēng)雨橋全橋效果圖

主橋橋型為4跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，跨徑布置為(30+52.5+85+52.5)m，橋?qū)?8 m，橋面布置為1.75 m(人行道及欄桿、路燈)+14.5 m(雙向4車(chē)道及路緣帶)+1.75 m(人行道及欄桿、路燈)，主梁采用變截面單箱單室截面。由于布置風(fēng)雨橋塔樓的需要，為避免塔樓被布置在交界墩頂而跨越伸縮縫，將原本屬于主橋的大樁號(hào)側(cè)30 m外邊跨歸入引橋，交界墩和伸縮縫向小樁號(hào)側(cè)移動(dòng)一跨，而小樁號(hào)側(cè)的30 m外邊跨與橋臺(tái)連接，無(wú)需調(diào)整，形成了不對(duì)稱(chēng)的跨徑布置。風(fēng)雨橋景觀塔樓為木結(jié)構(gòu)建筑，為跨越行車(chē)道，在橋面上設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)屋架，鋼屋架的立柱落在人行道路緣石處。圖2為主橋主墩頂橫斷面。

圖2　主橋主墩頂橫斷面圖

2　結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析

主橋?yàn)閼冶蹪仓┕さ念A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，受力上以受彎為主，邊、中跨跨徑比約0.62，跨徑比例比較理想。但由于設(shè)置風(fēng)雨橋塔樓，使該橋存在兩個(gè)主要特點(diǎn)：(1)布孔不對(duì)稱(chēng)，大樁號(hào)側(cè)設(shè)有30 m外邊跨，需要進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2)塔樓支承在箱梁懸臂上，荷載除塔樓自重外，高大的塔樓在風(fēng)力作用下對(duì)支承產(chǎn)生的力偶也不容忽視。

本結(jié)構(gòu)橋?qū)?8 m，箱梁懸臂4.5 m，若不設(shè)置加強(qiáng)措施，懸臂無(wú)法滿(mǎn)足受力需要。本項(xiàng)目考慮兩種措施對(duì)塔樓位置的懸臂進(jìn)行局部加強(qiáng)：(1)在對(duì)應(yīng)塔樓立柱位置的翼緣下設(shè)置加勁肋板；(2)在塔樓立柱荷載作用區(qū)域加大翼緣加腋。圖3～5為加勁肋板方案的有限元模型和在塔樓的一根立柱荷載作用下的主拉應(yīng)力分布；圖6為翼緣標(biāo)準(zhǔn)段和加強(qiáng)段的箱梁截面構(gòu)造圖。

圖3　加勁肋板方案有限元模型圖

圖4　加勁肋板方案底面主拉應(yīng)力分布圖

圖5　加勁肋板方案頂面主拉應(yīng)力分布圖

圖6　箱梁截面構(gòu)造圖

經(jīng)分析，兩種局部加強(qiáng)措施均能有效抵抗塔樓荷載，確保結(jié)構(gòu)安全。考慮到設(shè)置加勁肋板不便于懸臂澆筑施工中的掛籃移動(dòng)和模板設(shè)置，本結(jié)構(gòu)采用加大翼緣加腋方案。如此塔樓區(qū)域翼緣與一般區(qū)域可靠性接近，避免了剛度突變和應(yīng)力集中，施工方便，對(duì)橋梁視覺(jué)效果影響也很小。

小樁號(hào)側(cè)30 m外邊跨段配獨(dú)立的腹板預(yù)應(yīng)力束和頂板預(yù)應(yīng)力束，完成預(yù)應(yīng)力張拉后即可落架，形成簡(jiǎn)支單懸臂體系，縮短支架租用時(shí)間，施工周期靈活，節(jié)約施工成本。與懸臂澆筑段合龍后，張拉頂板和底板合龍鋼束，通過(guò)不對(duì)稱(chēng)鋼束的優(yōu)化配置，確保結(jié)構(gòu)可靠。

3　結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1主梁箱梁

箱梁頂板寬18 m，底板寬9 m，頂板厚0.28 m，主墩墩頂處中心梁高5.18 m，底板厚0.7 m，主跨跨中、邊跨支點(diǎn)、外邊跨處中心梁高2.68 m，底板厚0.32 m，梁高和底板厚均按1.8次拋物線(xiàn)變化。腹板采用直腹板，距離主墩中心線(xiàn)15 m以?xún)?nèi)區(qū)域腹板厚0.7 m，經(jīng)7 m漸變段過(guò)渡到0.5 m。箱梁設(shè)置縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。

3.2箱梁翼緣

箱梁翼緣單側(cè)寬4.5 m，翼緣加強(qiáng)段在距主墩中心線(xiàn)兩側(cè)各6.5 m范圍內(nèi)，經(jīng)2.5 m漸變段過(guò)渡為翼緣標(biāo)準(zhǔn)段。翼緣標(biāo)準(zhǔn)段加腋根部高1 m，加腋長(zhǎng)1 m，加腋末端高0.5 m，翼緣末端高0.2 m；翼緣加強(qiáng)段加腋根部高1.2 m，加腋長(zhǎng)1.5 m，加腋末端高0.457 m，翼緣末端高0.2 m。整個(gè)翼緣非加腋部分保持共面，漸變段加腋也設(shè)計(jì)為平面，便于施工中模板設(shè)置。

3.3墩、臺(tái)、基礎(chǔ)

主橋小樁號(hào)側(cè)與橋臺(tái)連接，大樁號(hào)側(cè)經(jīng)交界墩與引橋連接。下構(gòu)基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)承臺(tái)。主墩采用實(shí)體墩，邊跨橋墩和交界墩采用方柱式墩，橋臺(tái)采用埋置式橋臺(tái)。

3.4景觀塔樓

本項(xiàng)目共設(shè)5處景觀塔樓，主橋上設(shè)其中2處，位于兩個(gè)主墩墩頂橋面上。為避免塔樓的立柱出現(xiàn)在車(chē)道內(nèi)干擾行車(chē)，設(shè)立柱和鋼屋架跨越車(chē)道，為塔樓提供支撐，柱底2.5 m高度段填充混凝土以抵抗車(chē)輛意外撞擊。立柱橫橋向中心距15 m，順橋向間距(3.25+2+4.4+2+3.25)m，立柱頂設(shè)鋼箱型橫梁跨越行車(chē)道，橫梁間設(shè)次梁把各片框架聯(lián)結(jié)成整體。橫梁和次梁的布置同時(shí)也考慮為景觀塔樓提供支點(diǎn)。

4　結(jié)構(gòu)計(jì)算

主橋結(jié)構(gòu)靜力采用橋梁博士V3.5進(jìn)行分析。計(jì)算包括主橋結(jié)構(gòu)整體計(jì)算和橋面板橫向計(jì)算，橋面板計(jì)算中，一般區(qū)域和塔樓作用下的加強(qiáng)區(qū)分開(kāi)進(jìn)行。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算將主橋箱梁縱向分成80個(gè)梁?jiǎn)卧吔鐥l件按實(shí)際模擬，根據(jù)施工順序，分17個(gè)施工階段模擬施工過(guò)程。橋面板橫向計(jì)算中，取延長(zhǎng)1.2 m計(jì)算，箱梁頂板分成38個(gè)梁?jiǎn)卧ǜ拱鍐卧⒐探Y(jié)腹板底部；橫向預(yù)應(yīng)力取2束，模擬實(shí)際間距0.6 m左右交替張拉的橫向束。圖7為主橋結(jié)構(gòu)整體計(jì)算離散模型圖。

圖7主橋結(jié)構(gòu)整體計(jì)算離散模型圖

4.1承載力和應(yīng)力驗(yàn)算

計(jì)算結(jié)果表明，箱梁運(yùn)營(yíng)階段承載能力基本組合下(已考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1)，主墩墩頂處負(fù)彎矩安全系數(shù)為1.34，主跨跨中安全系數(shù)為1.22；運(yùn)營(yíng)階段短期組合下(按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算)，主墩墩頂處頂板最小壓應(yīng)力為0.29 MPa，主跨跨中底板最小壓應(yīng)力為0.17 MPa；運(yùn)營(yíng)階段標(biāo)準(zhǔn)組合下，頂板最大壓應(yīng)力為17.47 MPa<(35.5/2) MPa，底板最大壓應(yīng)力13.03 MPa<(35.5/2) MPa。其余項(xiàng)和橋面板承載力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。表1、表2為主要驗(yàn)算項(xiàng)目的驗(yàn)算結(jié)果。

表1　基本組合承載能力驗(yàn)算結(jié)果表 (單位：kN·m)

表2　短期和標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表 (單位：MPa)

4.2裂縫寬度驗(yàn)算

橋面板橫向受力的正常使用極限狀態(tài)按部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，在效應(yīng)短期組合下，箱梁頂板頂面最大裂縫寬度為0.04 mm，頂板底面最大裂縫寬度為0.08 mm，翼緣頂面最大裂縫寬度為0.03 mm，翼緣底面最大裂縫寬度為0.05 mm，均小于規(guī)范限值0.2 mm，

可見(jiàn)橋面板抗裂性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.3撓度驗(yàn)算

活載作用下，主跨最大正負(fù)撓度絕對(duì)值之和為47.3 mm

5　結(jié)語(yǔ)

三江龍吉風(fēng)雨橋采用具有民族特色的造型，設(shè)置景觀塔樓，塔樓荷載傳遞至箱梁翼緣板，結(jié)構(gòu)受力與常規(guī)連續(xù)梁橋有所區(qū)別。經(jīng)比選，采用局部加大翼緣加腋的方案承擔(dān)塔樓荷載，并針對(duì)跨徑布置不對(duì)稱(chēng)的構(gòu)造優(yōu)化預(yù)應(yīng)力配置，確保了結(jié)構(gòu)安全可靠。

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Main-bridge Structure Design and Mechanics Analysis of Sanjiang Longji Fengyu Bridge

YANG Xiao-qiang

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Combining the engineering example of Sanjiang Longji Fengyu Bridge in Guangxi，this article described the structure mechanical characteristics of its main bridge，described the main design fea-tures of its main bridge members，and through the static calculation and analysis，it validated the ration-ality and feasibility of its main-bridge structure design programs.

Sanjiang Longji Fengyu Bridge；Fengyu Bridge；Structural design；Stress analysis

U441+.5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.017

1673-4874(2016)05-0062-04

2016-04-29

楊小強(qiáng)(1988—)，助理工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。