覃揚韜 周群 楊雨晨
摘要:針對大跨PC連續(xù)剛構橋設計中的重點和難點,文章以某(45+2×80+45) m大跨PC連續(xù)剛構橋為工程背景,在統(tǒng)計國內多個設計實例的基礎上,總結筆者多年設計經驗,對大跨PC連續(xù)剛構橋設計中的結構參數擬定、結構預應力設計、結構分析計算等多個設計要點進行了全面的分析與研究,為此類橋梁設計提供參考與借鑒。
關鍵詞:橋梁工程;連續(xù)剛構橋;參數擬定;結構計算;設計要點
0 引言
剛構橋以其良好的結構整體性能、較大的抗扭剛度、較優(yōu)的抗震性能等特性,在300 m跨徑內極具優(yōu)勢地成為主流橋梁結構體系之一,尤其在深溝峽谷或通航河道等地區(qū)得到廣泛應用[1-4]。
隨著國內外大量大跨PC連續(xù)剛構橋的建成,業(yè)內人士不斷總結該橋型的經驗參數,各構造尺寸逐漸在業(yè)內形成了一定的取值范圍[5-7],針對剛構橋設計中的重點和難點,設計師們結合各橋不同的特點,也總結了不少設計經驗[8-9]。
本文以某(45+2×80+45) m剛構橋為背景,統(tǒng)計設計多個實例,總結筆者多年設計經驗,對大跨PC連續(xù)剛構橋設計中的參數擬定、預應力設計、結構計算等多個設計重點和難點進行了全面的分析與研究,為此類橋梁設計提供參考與借鑒。
1 工程概況
背景工程位于廣西東南部,跨越潯江的一條支流,該河道全長196 km,流域面積4 000 km2,橋址處河面寬約185 m,水深約6~8 m。河道順直、水流較緩,河岸兩側地形平坦,下伏基巖為中風化泥質粉砂巖,場地地質穩(wěn)定。
受水位、航道的影響,以服從通航要求為主,主橋跨徑設定為2×80 m。經方案比選和方案審查,根據橋位處的地形、地貌、通航要求、水文等因素,主橋上部結構采用(45+2×80+45) m預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁,邊、主跨比為0.562 5??紤]到城鎮(zhèn)遠景綜合交通規(guī)劃總體布置與自然條件的協調,兩側引橋各采用(2×30) m預應力混凝土小箱梁。主墩設計成雙薄壁墩,樁基礎。
2 結構尺寸分析與擬定
剛構橋在結構尺寸擬定前需重視設計資料的收集,為尺寸擬定提供依據。結合橋址處地形地貌,對橋址的平、縱、橫斷面進行勘測。調查橋址處水文和地質等資料,通航河道需進行必要的行洪分析和通航論證。
2.1 主梁尺寸分析與擬定
據統(tǒng)計,剛構橋邊主跨比一般在0.52~0.58間,此值過小可能會導致邊墩負壓力的出現,過大則導致邊跨現澆段過長,使邊跨現澆段施工較為困難,尤其在一些跨峽谷的山區(qū),在無法搭設邊跨現澆段支架的情況下,一般會把此值取得相對較小,選擇在邊墩上搭設懸臂現澆段支架。
為減輕結構自重,方便施工,連續(xù)剛構類橋梁一般采用抗扭剛度大的箱形截面,梁底線形通常選用拋物線,從而與彎矩圖相適應,當橋梁寬度<20 m時常采用單箱單室截面。
通常情況下:
h支=(1/15~1/20)L
h中=(1/30~1/50)L
為減輕結構自重,往往跨徑越大取值越小。有時為了增加主梁剛度,改善主梁應力狀態(tài),也可適當增加梁高。
頂板順橋向一般為等厚,滿足橫向預應力筋的構造要求,腹板厚度一般在(1/4~3/8)L處加厚腹板,總厚度一般約為橋寬的1/10。
單箱室底板寬度一般為橋面寬度的1/2,翼板寬度一般為箱室寬的1/2。在不設橫向預應力筋時,宜控制在3 m內。見圖1。
本橋主梁形式為單箱單室,頂寬12.5 m,底寬6.5 m,翼板寬3.0 m,支點梁高5.1 m,高跨比為1/15.7,跨中梁高2.6 m,高跨比為1/30.8。梁底曲線方程為y=2.6+0.001 876 5x2。
頂板等厚28 cm,腹板厚度由45 cm漸變至60 cm,底板厚度由30 cm按2.0次拋物線漸變漸變至60 cm。
2.2 主墩尺寸分析與擬定
剛構橋主墩一般均設計得較柔,主要形式有單肢、雙肢實體式、薄壁空心式等。據統(tǒng)計,當跨徑L在80~160 m之間,墩高50 m>H>L/10 m時,一般采用雙肢薄壁墩,墩中距一般為墩高的1/5~1/4且與主梁高度相近,墩厚一般取墩中距的1/6~1/4,與梁高之比一般為0.15~0.25。也可采用b=1.340 2-0.086 4S+0.081 6 H+0.01這一統(tǒng)計回歸公式(S-雙肢間距,H-墩高,L-主跨徑)。
本橋主墩設計為雙薄壁實心墩,墩高19.0 m,墩厚1.0 m,肢間距4.0 m,寬6.5 m。
3 結構預應力分析與設計
剛構橋跨徑的不同,配束的原則和方法也有些許區(qū)別,但總體上基本一致。一般情況下在運營階段,主梁按全預應力構件設計,跨中下緣壓應力值宜≥(1+L/100)MPa(L-主跨徑,m)。
縱向腹板束錨固點一般設置在截面豎向高度1/2偏下附近。當然,對于梁高較高的截面,一般考慮施工方便,也會相對再靠下一些。頂板束錨固點一般設置腹板頂承托中。此外,縱向束布置應綜合分析考慮與豎向束、橫向束及普通鋼筋間的位置重疊,并考慮管道凈距和錨固間距的合理取值。
豎向預應力束一般采用預應力螺紋鋼筋,梁高>6 m時可采用鋼絞線。為了改善墩與梁固結處的受力,可把豎向預應力筋伸入至墩身內。
橫向預應力束由橫向受力情況和相關構造要求進行設置。
本橋為三向預應力體系,包括縱向、豎向和橫向三種預應力束。
縱向預應力有F-腹板束、T-頂板懸澆束、B-邊底板合龍束、M-中底板合龍束、D-邊頂板合龍束、Z-中頂板合龍束Y-備用束等,彎曲半徑為800~1 000 cm。
本橋縱向束采用鋼絞線,一共設計了有兩種形式12-7s15.2、15-7s15.2。豎向束為JL32精軋螺紋鋼筋束,橫向束為3-7s15.2鋼絞線。
4 結構分析計算
4.1 結構作用概況
據《公路橋涵設計通用規(guī)范》[11],本橋計算跨徑取75 m,結構重要性系數取1.1。主梁為C55混凝土,橋面二期恒載共計69.45 kN/m。結構設計合龍溫度設定為15 ℃~20 ℃,體系升溫按+25 ℃計,體系降溫按-15 ℃計。活載(公路Ⅰ級及人群荷載)及非線性溫度變化按通用規(guī)范規(guī)定進行加載。
4.2 結構有限元模型簡介
本橋采用橋梁通用計算軟件MIDAS Civil 2019進行建模,結構單元均采用梁單元模擬,共166個梁單元,177個節(jié)點,邊支點與主梁節(jié)點、主墩頂與主梁節(jié)點為彈性連接(剛性)。見圖2。
4.3 主梁分析計算
按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(G 3362-2018)[12]對主梁進行各項計算,主要分析計算要點如下。
4.3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算
基本組合作用下主梁1/2結構抗彎計算結果如圖3所示。
基本組合作用下主梁1/2結構抗剪計算結果如圖4所示。
分析圖3、圖4可知,荷載基本組合作用下,主梁截面抗力均大于其組合設計內力,即主梁截面抗彎、抗剪滿足規(guī)范要求。
4.3.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算
頻率組合作用下主梁1/2結構斜截面抗裂計算結果如圖5所示。
分析圖5可知,在荷載頻率組合作用下,主梁斜截面最大主拉應力為-0.15 MPa,即主梁斜截面抗裂滿足規(guī)范要求。
4.3.3 持久狀況和短暫狀況構件的應力計算
標準組合作用下主梁1/2結構斜截面抗壓計算結果如圖6所示。
分析圖6可知,在標準荷載組合作用下,主梁斜截面混凝土最大主壓應力為15.777 MPa,即主梁斜截面抗壓滿足規(guī)范要求。
施工荷載作用下主梁1/2結構斜截面抗壓計算結果如圖7所示。
分析圖7可知,在施工荷載組合作用下,主梁截面在施工階段中的最大壓應力為12.781 MPa,最大拉應力為0.232 MPa,同時,預拉區(qū)配置有配筋率≥0.2%的縱向鋼筋,即施工階段主梁邊緣混凝土法向拉、壓應力驗算均滿足規(guī)范要求。
4.4 主墩分析計算
按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(G 3362-2018)[12]對主墩進行各項計算,主要計算要點如表1、表2所示。
分析表1、表2可知,主墩承載力及抗裂設計均滿足規(guī)范要求。
5 結語
大跨PC連續(xù)剛構橋結構參數擬定、預應力設計、結構分析計算等一直是此類橋梁設計的重點和難點,本文以某(45+2×80+45)m剛構橋為背景,在統(tǒng)計國內多個設計實例的基礎上,總結筆者多年設計經驗,對大跨PC連續(xù)剛構橋設計中的參數擬定、預應力設計、結構計算等多個設計重點和難點進行了全面的分析與研究,基本概括了該類橋梁在設計過程中的設計要點,可為該類橋梁的設計提供參考借鑒。
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作者簡介:覃揚韜(1984—),工程師,主要從事道路橋梁工程設計工作。