黃毅,劉紅杰,胡嵐
(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州450000;2.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司,湖北武漢430071)
水庫(kù)深水高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)
黃毅1,劉紅杰1,胡嵐2
(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州450000;2.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司,湖北武漢430071)
四川大渡河大崗山水電站庫(kù)區(qū)S211省道淹沒(méi)復(fù)建公路田灣河大橋主梁跨徑為(78+140+78)m,主墩高為89.5m和70m。探討了橋梁上部結(jié)構(gòu)(箱梁尺寸、預(yù)應(yīng)力體系)和下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),對(duì)全橋進(jìn)行靜力分析。
四川大渡河;田灣河大橋;深水;高墩;大跨連續(xù)剛構(gòu)橋;靜力分析
隨著我國(guó)交通工程和水利工程的飛速發(fā)展,越來(lái)越多的跨大江、大河、水庫(kù)的橋梁不斷涌現(xiàn),不可避免地會(huì)出現(xiàn)很多深水高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁。深水高墩連續(xù)剛構(gòu)橋由于具有高墩、深水、大跨的特點(diǎn),其受力特征也比較獨(dú)特。筆者針對(duì)四川大渡河大崗山水電站庫(kù)區(qū)S211省道淹沒(méi)復(fù)建公路田灣河大橋,采用MIDAS CIVIL有限元軟件對(duì)其進(jìn)行靜力分析,探討橋梁的結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力體系和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。
田灣河大橋是大渡河大崗山水電站庫(kù)區(qū)S211省道淹沒(méi)復(fù)建公路交通線上的重要組成部分,是保障石棉縣至瀘定縣交通線貫通的重要節(jié)點(diǎn)。該橋位于田灣河和大渡河的交匯處,全橋橫跨田灣河,是秀麗大山中的一顆璀璨明珠。
田灣河大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),寬為8m,兩側(cè)設(shè)置0.5m寬的防撞護(hù)欄,全長(zhǎng)為304.16m,橋跨布置為78m+140m+78m。該橋上部構(gòu)造為單箱單室變截面箱型梁,主橋墩身上部采用雙肢變截面矩形實(shí)心墩,主墩高度為89.5 m和70 m。橋梁設(shè)計(jì)荷載按公路Ⅰ級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì),掛車-300進(jìn)行校核,抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度。橋型布置如圖1所示。
圖1 田灣河大橋橋型布置圖(單位:cm)Fig.1 Bridge type arrangement of Tianw an r iver b ridge(U nit:cm)
2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1.1 箱梁構(gòu)造
在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中,隨著跨徑的增加,恒載占結(jié)構(gòu)受力的比重越來(lái)越大[1]。所以,為了保證梁體有足夠的承載能力和應(yīng)力幅度,本橋采用了高強(qiáng)度的C55混凝土,從而有效地減輕了橋梁自重,使得橋梁的安全性大大增強(qiáng)。
主橋140m跨箱梁采用單箱單室直腹板斷面,頂板寬度為8m,箱梁根部梁高為8.5m,跨中及邊跨合龍段梁高為3m,箱梁底板下緣按1.8次拋物線變化。箱梁0#塊底板厚度為100 cm,從懸臂根部至懸澆段,各梁段底板厚按1.8次拋物線由96.3 cm變?yōu)?2 cm,跨中合龍段及邊跨現(xiàn)澆段底板厚度為32 cm。在大樁號(hào)側(cè)邊跨現(xiàn)澆段設(shè)置直徑為60 cm的人洞。箱梁0#塊頂板厚度為50cm,其余節(jié)段為25cm。箱梁0?!?#塊的腹板厚度為70 cm,10#塊的腹板厚度為70~50cm,其余梁段的腹板厚度為50cm。主梁懸臂長(zhǎng)度為1.75m,翼緣外側(cè)厚為15 cm,根部厚為60cm,采用折線變化。邊跨現(xiàn)澆段處設(shè)置寬度為1.6m的端橫梁。端橫梁設(shè)置伸縮縫處的翼緣厚度統(tǒng)一加厚至100 cm。箱梁橫斷面如圖2所示。
圖2 箱梁橫斷面圖(單位:cm)Fig.2 Cross-sectional view of the box girder(Unit:cm)
按照各節(jié)段重量不宜相差太大、節(jié)段長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)、節(jié)段數(shù)不宜太多的原則,全梁共劃分了76個(gè)梁段。懸臂澆筑節(jié)段的長(zhǎng)度有3.0m、3.5m和4.0m3種,0#梁段長(zhǎng)12m,合龍段的長(zhǎng)度均為2.0m,邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)為7.0m。最大懸臂澆筑塊重1 300 kN。
2.1.2 箱梁預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)
主梁采用兩向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)??v向預(yù)應(yīng)力分為頂板束、腹板束、底板鋼束3種,采用19φs15.2mm、15φs15.2mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860MPa,鋼束張拉控制應(yīng)力為1357.8MPa,其張拉控制力分別為361.2 t和285.1 t。豎向預(yù)應(yīng)力采用JL32的高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(材料屈服點(diǎn)σ0.2)為930MPa,張拉控制應(yīng)力為837MPa,張拉控制力為67.3 t。
2.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在水庫(kù)完成蓄水后,橋墩大部分浸泡在水中。通過(guò)對(duì)雙肢空心墩與實(shí)心墩進(jìn)行多次比較分析,田灣河大橋橋墩采用鋼筋混凝土雙肢變截面矩形實(shí)心墩與主梁固結(jié)。實(shí)體墩不但施工方便,而且橋墩各個(gè)截面處水壓力平衡,給橋墩提供了較大的抗力,使橋墩在動(dòng)水壓力作用下的安全系數(shù)較大。單肢橋墩順橋向尺寸為2.5m,橫橋向墩頂尺寸為6.5m,并以1∶100的斜率往下放坡;承臺(tái)采用矩形斷面,橫橋向長(zhǎng)為14.6m,順橋向?qū)挒?2.0m,厚為4.0m;基礎(chǔ)采用6φ250 cm鉆孔灌注樁。
3#橋臺(tái)采用樁接蓋梁型橋臺(tái),樁基直徑為2.0m;0#橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái),承臺(tái)橫橋向尺寸為11.5m,順橋向尺寸為7.8m,厚為2.5m,樁基直徑為1.4m。
3.1 邊界條件
本橋上部結(jié)構(gòu)靜力分析采用邁達(dá)斯(Midas Civil)軟件,計(jì)算內(nèi)容包括:成橋狀態(tài)下恒載、車道荷載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變(按3 650 d計(jì))、支座強(qiáng)迫位移(按1.0 cm計(jì))、均勻溫度作用(升、降溫分別按+29.2℃、-18.9℃計(jì))、豎向梯度溫度作用(按T14/5.5℃取值[2])等。按有關(guān)規(guī)范規(guī)定,對(duì)各種作用進(jìn)行不同的組合,對(duì)結(jié)構(gòu)的持久狀況承載能力極限狀態(tài)、持久狀況正常使用極限狀態(tài)、持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力等分別進(jìn)行計(jì)算[3]。
3.2 主梁驗(yàn)算
(1)使用階段正截面抗裂驗(yàn)算。按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)的橋梁,在使用階段,正截面應(yīng)存在拉應(yīng)力[4]。該橋主梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,中墩墩頂處最大拉應(yīng)力為-0.02MPa。由于墩頂處截面失真,可以不考慮該處拉應(yīng)力影響。所以,在使用階段,主梁正截面積抗裂應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
圖3 田灣河大橋主梁正截面抗裂應(yīng)力圖Fig.3 Crack resistance stress of Tianwan r iver b ridge girder normal section
(2)施工階段法向壓應(yīng)力驗(yàn)算。規(guī)范要求,在施工階段,主梁法向壓應(yīng)力限值為19.88MPa。該橋主梁在施工階段的法向壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,該橋主梁在施工階段的法向壓應(yīng)力最大為14.59MPa。故滿足要求。
圖4 田灣河大橋主梁施工階段法向壓應(yīng)力圖Fig.4 Normal stress of Tianwan r iver b ridge girder construction phase
(3)承載能力極限強(qiáng)度驗(yàn)算。箱梁截面承載能力極限組合抗力與抗力對(duì)應(yīng)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,該橋抗彎承載能力極限強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。
上部箱梁結(jié)構(gòu)的持久狀況承載能力極限狀態(tài)的最不利位置在跨中處,結(jié)構(gòu)內(nèi)力為141 779.1 kN·m,結(jié)構(gòu)抗力為143973.1 kN·m。上部箱梁結(jié)構(gòu)的持久狀況正常使用極限狀態(tài)下,最小正應(yīng)力為0.132 MPa(墩頂截面處應(yīng)力失真),跨中正應(yīng)力儲(chǔ)備為1.6 MPa,可有效預(yù)防連續(xù)剛構(gòu)橋梁的跨中下?lián)希?]。上部箱梁結(jié)構(gòu)持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力最不利位置在跨中附近,最大壓應(yīng)力為16.9MPa,容許壓應(yīng)力為17.8 MPa,留有足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備,施工階段法向壓應(yīng)力限值為19.88MPa,施工階段法向壓應(yīng)力為14.59MPa。因此,上部結(jié)構(gòu)箱梁的計(jì)算均滿足規(guī)范要求。通過(guò)優(yōu)化鋼束配置,使跨中下緣的壓應(yīng)力儲(chǔ)備較大,可以有效預(yù)防跨中下?lián)蠁?wèn)題。
3.3 橋墩驗(yàn)算
在靜力工況下,并考慮橋梁受橫橋向和順橋向風(fēng)力作用,計(jì)算橋墩軸力,其結(jié)果如表1所示。在荷載作用下,橋墩裂縫計(jì)算結(jié)果如表2所示。
圖5 箱梁截面承載能力極限組合抗力及抗力對(duì)應(yīng)內(nèi)力圖Fig.5 Box girder section carrying capacity lim itation combination resistance and corresponding internal force
表1 橋墩軸力表Tab.1 Axial force of pier
由表1可以看出,1#橋墩墩頂內(nèi)力為57787.4kN,截面抗力為252276.2kN,墩底內(nèi)力為112 804.1 kN,截面抗力為350 373.0 kN;2#橋墩的墩頂內(nèi)力為43 145.2 kN,截面抗力為320 791.8 kN,墩底內(nèi)力為102 866.1 kN,截面抗力為316 926.6 kN。所以,橋墩處于小偏心受壓構(gòu)件。
由表2可知,橋墩墩頂截面的最小裂縫為0.096 mm,墩底截面的最小裂縫值為0.185 mm。因此,實(shí)體墩的抗力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于截面內(nèi)力,可有效抵抗水庫(kù)中的動(dòng)水壓力,并且橋墩的裂縫值富裕度較大,保證了橋墩在深水水庫(kù)中的安全。
田灣河大橋在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),跨中正應(yīng)力儲(chǔ)備為1.6MPa,可有效預(yù)防連續(xù)剛構(gòu)橋梁的跨中下?lián)?。在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),高橋墩采用了實(shí)體墩的形式,不僅便于施工,還使得橋墩在深水中同一截面處的水壓力均衡,并提供較大的抗力,使橋墩在動(dòng)水壓力作用下有足夠的安全系數(shù)。
表2 橋墩裂縫表Tab.2 Crack of pier
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[4]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].
[責(zé)任編輯 楊明慶]
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10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.002
2016-04-19
黃毅(1984-),男,湖北仙桃人,工程師,碩士研究生,主要從事道路橋梁的設(shè)計(jì)研究。