王紫玉
(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京市 100082)
淺談?lì)A(yù)應(yīng)力混凝土寬橋設(shè)計(jì)
王紫玉
(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京市 100082)
根據(jù)國(guó)家“十一五”發(fā)展規(guī)劃昆明新機(jī)場(chǎng)明確定為遷建工程,定位為“面向南亞、東南亞,連接歐亞的大型門戶樞紐機(jī)場(chǎng)”,是云南省機(jī)場(chǎng)布局和航空網(wǎng)絡(luò)的核心。離港層主橋是昆明新機(jī)場(chǎng)航站樓樓前橋梁工程的重要組成部分,其特點(diǎn)是橋?qū)捿^寬,梁高由橫向計(jì)算控制,結(jié)合工程實(shí)例,總結(jié)設(shè)計(jì)中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與體會(huì),簡(jiǎn)要介紹了寬橋的設(shè)計(jì)方法,闡述了結(jié)構(gòu)計(jì)算的思路,為今后類似工程的設(shè)計(jì)工作提供了經(jīng)驗(yàn)和可靠的參考。
寬橋;橫向分布系數(shù);平面桿系計(jì)算;梁格法空間計(jì)
昆明新機(jī)場(chǎng)航站樓樓前橋梁工程分為主橋及匝道橋兩部分。橋梁全長(zhǎng)4 219.3 m,橋梁總面積754 31 m2。其中離港層主橋,全長(zhǎng)432 m,全寬50 m,橋梁面積21 632 m2;匝道橋全長(zhǎng)3 787.3 m,橋梁面積53 799 m2。
該橋?yàn)殡x港層主橋中的一聯(lián),橋?qū)?0 m,受柱網(wǎng)間距的制約,跨徑布置為4×36 m,下部結(jié)構(gòu)為雙柱支承,墩柱基礎(chǔ)與地下停車樓共構(gòu),如圖1所示。
圖1 昆明新機(jī)場(chǎng)
該橋采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下:
(1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100 a;
(2)環(huán)境類別:I類;
(3)安全等級(jí):二級(jí);
(4)設(shè)計(jì)荷載:城-A級(jí),人群荷載2.4 kPa;
(5)抗震標(biāo)準(zhǔn):地震動(dòng)峰值加速度0.26 g(根據(jù)地震安全性評(píng)估報(bào)告);
(6)地震烈度:8度。
3.1受控的邊界條件
以“七彩云南”為理念,航站樓總體建筑由不同的曲線及“彩帶”組合而成,柱網(wǎng)間距為9 m;為了配合樓前的“彩帶”造型,離港層主橋跨徑布置為4×36 m一聯(lián)(9的整數(shù)倍)。根據(jù)道路專業(yè)到港層的車道布置情況及凈空的要求,橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱支承且與地下停車樓形成共構(gòu),墩柱的位置較受控,遠(yuǎn)離航站樓側(cè)形成了“大懸臂”結(jié)構(gòu),詳見(jiàn)圖2。
圖2 橋墩布置斷面(單位:cm)
3.2梁型的選取
工程所處地區(qū)為高地震烈度區(qū),離港層主橋橋?qū)捿^寬,且墩柱布置受控,根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)因素等多方面因素,最終確定主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。
4.1截面尺寸及梁高的擬定
參考北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓樓前橋的設(shè)計(jì)資料,該橋采用8跨一聯(lián)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),最大跨徑為36 m,橋?qū)挒?0.5 m,下部結(jié)構(gòu)采用三柱支承,梁高1.8 m,端中橫梁均設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力;該橋設(shè)計(jì)時(shí)截面采用橫向單箱多室的曲線型斷面,橋?qū)?0 m,初步擬定尺寸如表1所示。
表1 尺寸擬定
經(jīng)過(guò)縱、橫向初步試算,若采用2 m的梁高,縱向計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求,但橫向計(jì)算,由于受到“大懸臂”效應(yīng)的制約,梁高需加大;經(jīng)過(guò)反復(fù)試算,最終確定采用2.7 m的梁高,至此,最終的斷面形式如圖3所示。
4.2橫向分布系數(shù)的確定
橫向分布系數(shù)是結(jié)構(gòu)由空間計(jì)算簡(jiǎn)化為平面桿系計(jì)算的重要參數(shù),可采用以下兩種方法計(jì)算:
方法一:按照《通用規(guī)范》的規(guī)定,按照橋?qū)挻_定車道數(shù),并得到相應(yīng)的橫向折減系數(shù),采用此方法計(jì)算得到的活載橫向分布系數(shù):(0.5×8)×1.15=4。
方法二:按照T3樓前橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),根據(jù)隔離帶的設(shè)置分別計(jì)算橫向分配系數(shù)再求和,采用此方法計(jì)算得到的活載橫向分布系數(shù):(0.78× 3+0.78×3+1×2)×1.15=7.682。
方法一的計(jì)算結(jié)果顯然與實(shí)際情況不符,根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),選用方法二進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)空間分析結(jié)果來(lái)對(duì)取值進(jìn)行論證。
4.3結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算
4.3.1桿系模型的建立
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁采用北京市政院橋梁綜合程序(平面桿系計(jì)算程序)進(jìn)行計(jì)算,如圖4所示。
圖4 單元離散圖(對(duì)稱結(jié)構(gòu))
(1)溫度:體系升溫取30℃,體系降溫取-25℃。
(2)沉降:沉降按0.005 m控制。
(3)均布荷載:橋面鋪裝重=0.06×26×50+0.1× 25×50+(3+4+4+8)×0.15×22=266 kN/m,欄桿+地袱重=7.5×2=15 kN/m,∑q=281 kN/m。
(4)非線性溫度:根據(jù)通用規(guī)范取用。
4.3.2結(jié)構(gòu)體系分析
按平面桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算平面內(nèi)彎矩、軸力及剪力,然后根據(jù)各截面慣性矩計(jì)算截面應(yīng)力,根據(jù)截面應(yīng)力配置預(yù)應(yīng)力鋼束。采用的荷載組合為:(1)全恒;(2)全恒+活載+人群;(3)全恒+活載+人群+升溫+梯度正溫差+沉降1;(4)全恒+活載+人群+升溫+梯度正溫差+沉降2;(5)全恒+活載+人群+降溫+梯度反溫差+沉降1;(6)全恒+活載+人群+降溫+梯度反溫差+沉降2;
劃分的施工階段為:(1)澆注主梁混凝土;(2)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束;(3)橋面系安裝;(4)使用階段。
4.3.3計(jì)算結(jié)果分析
4.3.3.1抗裂驗(yàn)算
按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂(長(zhǎng)期效應(yīng)),結(jié)果見(jiàn)表2。在各類荷載組合下,結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期效應(yīng)荷載下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,說(shuō)明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件長(zhǎng)期抗裂要求。
按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂(短期效應(yīng)),結(jié)果見(jiàn)表3。在各類荷載組合下,結(jié)構(gòu)在短期效應(yīng)荷載拉應(yīng)力均小于0.7 Ftk=1.855 MPa,說(shuō)明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件短期效應(yīng)抗裂要求。
圖3 橋梁斷面圖(單位:cm)
對(duì)驗(yàn)算斜截面主拉應(yīng)力抗裂,在支點(diǎn)截面最大主拉應(yīng)力為1.12 MPa,小于0.7 Ftk=1.855 MPa說(shuō)明結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件最大主拉應(yīng)力抗裂的要求。
表2 長(zhǎng)期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算 MPa
表3 短期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算 MPa
4.3.3.2強(qiáng)度驗(yàn)算
結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力小于規(guī)范規(guī)定的0.5Fck=16.2MPa,說(shuō)明結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
經(jīng)過(guò)正截面抗彎計(jì)算,斜截面抗剪計(jì)算,斜截面抗彎計(jì)算后,各強(qiáng)度均滿足要求。
4.3.3.3承載力驗(yàn)算
Mu為結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)值(未考慮普通鋼筋的作用),Md為荷載作用效果組合值,由表4可看出,結(jié)構(gòu)在荷載作用下承載力滿足規(guī)范要求。
表4 承載力計(jì)算 kN·m
4.3.3.4剛度驗(yàn)算
根據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果,在荷載作用下的位移值如表5所示,說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。
4.4結(jié)構(gòu)橫向計(jì)算
4.4.1桿系模型的建立
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁采用北京院橋梁綜合程序(平面桿系計(jì)算程序)進(jìn)行計(jì)算。橫梁結(jié)構(gòu)離散圖及橫向預(yù)應(yīng)力布置圖分別如圖5和6所示。
表5 變形表
模型中所用荷載組合為:
(1)全恒;(2)全恒+活載;(3)全恒+活載+人群;(4)全恒+活載+人群+升溫;(5)全恒+活載+人群+降溫。
4.4.2中橫梁計(jì)算結(jié)果分析
4.4.2.1抗裂驗(yàn)算
按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂(長(zhǎng)期效應(yīng))。在各類荷載組合下,計(jì)算結(jié)果表6,結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期效應(yīng)荷載下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。說(shuō)明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件長(zhǎng)期抗裂要求。
按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂(短期效應(yīng))。在各類荷載組合下,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7,結(jié)構(gòu)在短期效應(yīng)荷載拉應(yīng)力均小于0.7 Ftk=1.855 MPa,符合規(guī)范要求。說(shuō)明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件短期效應(yīng)抗裂要求。
對(duì)斜截面主拉應(yīng)力驗(yàn)算抗裂,在支點(diǎn)截面最大主拉應(yīng)力為0.98 MPa,小于0.7 Ftk=1.855 MPa。說(shuō)明結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件最大主拉應(yīng)力抗裂的要求。
圖5 橫梁結(jié)構(gòu)離散圖
圖6 橫向預(yù)應(yīng)力的布置(單位:cm)
表6 長(zhǎng)期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算MPa
表7 短期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算 MPa
4.4.2.2強(qiáng)度驗(yàn)算
結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為9.68 MPa,小于規(guī)范規(guī)定的0.5 Fck=16.2 MPa,說(shuō)明結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。經(jīng)過(guò)正截面抗彎計(jì)算,斜截面抗剪計(jì)算,斜截面抗彎計(jì)算后,各強(qiáng)度均滿足要求。
4.4.3端橫梁計(jì)算結(jié)果分析
4.4.3.1抗裂驗(yàn)算
按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂(長(zhǎng)期效應(yīng))。在各類荷載組合下,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8,結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期效應(yīng)荷載下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。說(shuō)明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件長(zhǎng)期抗裂要求。
按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂(短期效應(yīng))。在各類荷載組合下,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9,結(jié)構(gòu)在短期效應(yīng)荷載拉應(yīng)力均小于0.7 Ftk=1.855 MPa,符合規(guī)范要求。說(shuō)明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件短期效應(yīng)抗裂要求。
表8 長(zhǎng)期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算 MPa
表9 短期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算 MPa
斜截面主拉應(yīng)力驗(yàn)算抗裂,在支點(diǎn)截面最大主拉應(yīng)力為0.98 MPa,小于0.7 Ftk=1.855 MPa,說(shuō)明結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件最大主拉應(yīng)力抗裂的要求。
4.4.3.2強(qiáng)度驗(yàn)算
結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為9.38 MPa,小于規(guī)范規(guī)定0.5 Fck=16.2 MPa。說(shuō)明結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
經(jīng)過(guò)正截面抗彎計(jì)算,斜截面抗剪計(jì)算,斜截面抗彎計(jì)算后,各強(qiáng)度均滿足要求。
4.5空間計(jì)算比較
4.5.1空間模型的建立
空間計(jì)算采用橋梁計(jì)算通用程序Midas Civil,根據(jù)漢勃利的梁格理論[4],主梁采用梁格法建模,對(duì)各個(gè)縱梁截面的劃分,按中性軸位置一致的原則,并修正截面的抗扭剛度,三個(gè)中墩與主梁固結(jié),邊支點(diǎn)靠近航站樓側(cè)采用單向活動(dòng)的盆式支座,遠(yuǎn)離航站樓側(cè)采用雙向活動(dòng)的盆式支座,墩底與航站樓形成共構(gòu),具體模型如圖7所示。
圖7 空間結(jié)構(gòu)模型
主要荷載的取值均與桿系模型一致,兩種程序的計(jì)算結(jié)果具有一定的可比性。
4.5.2計(jì)算結(jié)果分析
反力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。
圖8 反力圖(單位:kN)
長(zhǎng)期荷載下上下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9和10所示。
圖9 長(zhǎng)期組合上緣應(yīng)力(單位:kN/m2)
圖10 長(zhǎng)期組合下緣應(yīng)力(單位:kN/m2)
短期荷載下上下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖11和12所示。
圖11 短期組合上緣應(yīng)力(單位:kN/m2)
圖12 短期組合下緣應(yīng)力(單位:kN/m2)
經(jīng)過(guò)計(jì)算,正截面抗裂(長(zhǎng)期、短期),斜截面主拉應(yīng)力,正壓應(yīng)力,以及正截面抗彎計(jì)算、斜截面抗剪計(jì)算、斜截面抗彎計(jì)算,各強(qiáng)度基本滿足規(guī)范要求,其預(yù)應(yīng)力效應(yīng)及活載效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與桿系模型基本一致。
以機(jī)場(chǎng)航站樓前的離港層寬橋?yàn)檠芯繉?duì)象,通過(guò)合理的選取橫向分布系數(shù),僅運(yùn)用桿系模型計(jì)算,也可較好地完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),從而在設(shè)計(jì)過(guò)程中,省去了大量的復(fù)雜的建模工作。在擬定結(jié)構(gòu)的梁高時(shí),除了參考以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),還應(yīng)進(jìn)行縱、橫向的初步試算,以避免結(jié)構(gòu)尺寸的重大調(diào)整;受橋下交通組織的制約,結(jié)構(gòu)的支承邊界條件不同,計(jì)算的特點(diǎn)也不同,該橋具有“大懸臂”效應(yīng),梁高主要受橫向計(jì)算控制。
[1]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].
[2]JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].
[3]CJJ 77-98城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)[S].
[4]E.C.漢勃利.橋梁上部構(gòu)造性能[M].北京:人民交通出版社,1982.
貴州加速構(gòu)建高速公路經(jīng)濟(jì)帶
貴州省縣縣通高速公路暨2016年交通重點(diǎn)項(xiàng)目集中開(kāi)工儀式近日在貴陽(yáng)至甕安高速公路清水河大橋舉行。貴州省委書記陳敏爾宣布,貴州省縣縣通高速公路目標(biāo)全面實(shí)現(xiàn),并開(kāi)啟“十三五”期新一輪交通建設(shè)。
“十三五”是貴州省脫貧攻堅(jiān)、同步小康的決戰(zhàn)決勝時(shí)期,也是交通建設(shè)大有作為的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期。此次貴州省交通重點(diǎn)項(xiàng)目集中開(kāi)工,標(biāo)志著貴州“十三五”交通建設(shè)新跨越的大幕已經(jīng)拉開(kāi)。到2020年建成“六橫七縱八聯(lián)”高速公路網(wǎng),成為貴州高速公路建設(shè)上的新追求。
“十三五”期,貴州力爭(zhēng)建成和在建高速公路里程達(dá)到7 000 km以上,形成22個(gè)以上高速公路省際通道,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將更加完善、高速公路密度將進(jìn)一步提高。
地處西南腹地的貴州,將借力一條條出省通道,加快構(gòu)建與周邊省(區(qū)、市)有效銜接的發(fā)展新格局。貴州作為西南重要陸路交通樞紐的優(yōu)勢(shì)將日益凸顯。
貴州高速公路覆蓋全省規(guī)劃的5個(gè)千億元、10個(gè)兩百億元、20個(gè)百億元重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)園區(qū),以及70多個(gè)國(guó)家級(jí)、省級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)。目前貴州已形成15個(gè)高速公路出省通道,與珠江三角洲、北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)、成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)、長(zhǎng)株潭城市群、滇中經(jīng)濟(jì)區(qū)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。
一條高速路就是一條民生路。在貴州,每1億元高速公路的投資可直接產(chǎn)生1 800個(gè)就業(yè)崗位,僅在高速公路建設(shè)三年大會(huì)戰(zhàn)期間,就拉動(dòng)GDP增長(zhǎng)1萬(wàn)多億元,創(chuàng)造了455萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位。
隨著縣縣通高速公路目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),山地貴州已成為“人暢其行、貨暢其流”的“高速公路平原”。借助這一變化,貴州目前正在積極規(guī)劃“高速公路經(jīng)濟(jì)帶”,包括現(xiàn)代高效山地農(nóng)業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)正在崛起,絡(luò)繹不絕的電商也正將大山里的特產(chǎn)越來(lái)越多越來(lái)越快地送往山外。此外,富士康、微軟、西門子、阿里巴巴等國(guó)內(nèi)外大型企業(yè)陸續(xù)進(jìn)駐,貴州在開(kāi)放創(chuàng)新、八方助力的優(yōu)良環(huán)境中,人流、物流、資金流、信息流逐步集聚,大數(shù)據(jù)、大健康等重要產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步前行。貴州交通將繼續(xù)保持適度超前、加速發(fā)展的態(tài)勢(shì),繼續(xù)完善以高速公路為骨架、國(guó)省干線為支撐、縣鄉(xiāng)公路為脈絡(luò)、通村公路為基礎(chǔ)的公路網(wǎng)絡(luò)體系,加快促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展,適應(yīng)貴州與全國(guó)同步全面建成小康社會(huì)的需要。
U442.5
B
1009-7716(2016)02-0086-06
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.022
2015-10-23
王紫玉(1984-),男,北京人,工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。