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        大懸臂蓋梁Π型墩蓋梁設(shè)計(jì)與施工過程分析研究

        2021-09-10 20:13:37鐘帆
        交通科技與管理 2021年17期

        鐘帆

        摘 要:本文結(jié)合莞番高速厚街高架橋標(biāo)準(zhǔn)段大懸臂蓋梁Π型墩構(gòu)造,對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁進(jìn)行計(jì)算分析,總結(jié)大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的設(shè)計(jì)思路及注意事項(xiàng)。蓋梁結(jié)構(gòu)受多種控制因素影響,應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮施工階段、運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)受力性能及剛度的需求,尤其是墩頂處蓋梁受力復(fù)雜,合理選擇懸臂尺寸及鋼束布置形式可以最大化此處的預(yù)應(yīng)力效應(yīng),減小結(jié)構(gòu)尺寸、節(jié)約造價(jià)。同時(shí)計(jì)算分析中應(yīng)采用合理的預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序及架梁順序,以確保結(jié)構(gòu)施工安全。

        關(guān)鍵詞:大懸臂蓋梁Π型墩;空間受力;施工過程模擬

        1 概述

        莞番高速是《廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》(2004~2030)中編號(hào)S18的加密線,是東莞市“一環(huán)六縱三橫”主干線的第三橫。

        莞番高速西連南沙大橋,東接河惠莞高速,經(jīng)厚街鎮(zhèn)處線位與富民路重合,受現(xiàn)狀厚街富民路寬度限制,橋梁采用在富民路上高架的主線橋方案。

        共線段橋梁設(shè)計(jì)充分利用橋下輔道中分帶的寬度,提出大懸臂蓋梁Π型墩的構(gòu)思。相較于傳統(tǒng)三柱式雙層框架墩,大懸臂蓋梁中央墩,受力明確,傳力清晰,行車視野好,同時(shí)橋墩位于中分帶,橋下空間得以充分利用,并可有效減少跨越被交路處跨徑。

        相較于常規(guī)下部結(jié)構(gòu),本項(xiàng)目蓋梁邊緣距墩中心距離12.9 m,為減小蓋梁結(jié)構(gòu)高度,采用了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),蓋梁設(shè)計(jì)是大懸臂蓋梁Π型墩的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與重點(diǎn)。本文選取其中標(biāo)準(zhǔn)段的典型蓋梁,簡(jiǎn)要介紹大懸臂蓋梁Π型墩中蓋梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

        2 蓋梁構(gòu)造

        根據(jù)上部預(yù)制小箱梁的跨徑不同,大懸臂蓋梁Π型墩蓋梁尺寸不同,根據(jù)設(shè)計(jì)比選,較為經(jīng)濟(jì)的跨徑選擇為25 m、30 m。本文選取30 m標(biāo)準(zhǔn)段下部進(jìn)行介紹。

        2.1 蓋梁構(gòu)造尺寸

        標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁全寬31.7 m,柱間距5.9 m,蓋梁懸臂端部至墩柱中心距離為12.9 m。蓋梁采用變高矩形截面,順橋向厚度2.2 m,根部高度3.5 m,懸臂高度1.7 m。橋墩采用圓形墩,墩柱直徑2.1 m,主要尺寸見圖2-1。

        蓋梁采用C50混凝土,墩柱采用C35混凝土。

        2.2 蓋梁預(yù)應(yīng)力體系

        按A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行蓋梁設(shè)計(jì),蓋梁內(nèi)交錯(cuò)布置20根15-15型預(yù)應(yīng)力鋼束,鋼束布置圖如2-2 所示。

        根據(jù)大懸臂蓋梁的受力特性,墩頂區(qū)域是其設(shè)計(jì)控制點(diǎn),采用交錯(cuò)布置、單端張拉的鋼束布置,可以最大限度的在墩頂上緣布置最多的預(yù)應(yīng)力鋼束,從而減小結(jié)構(gòu)高度。

        3 施工方案

        大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁支架采用鋼管樁+型鋼分配梁方案,在承臺(tái)上設(shè)置4根φ800×8 mm鋼管。鋼管樁兩側(cè)采用斜撐形式進(jìn)行延伸,斜撐由撐桿和分配梁組成,與鋼管樁采用銷接進(jìn)行連接。管樁及斜撐頂設(shè)置分配梁及底模。

        大懸臂蓋梁鋼管樁+型鋼支架使用前先進(jìn)行預(yù)壓,蓋梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa后,拆除蓋梁側(cè)模。

        蓋梁預(yù)應(yīng)力分兩次張拉,混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以后進(jìn)行第一次張拉。首次預(yù)應(yīng)力張拉完成后,拆除支架。首先依次抽出桁架、分配梁,然后自上而下依次拆除斜撐、連接系、鋼管立柱。支架拆除后堆碼整齊,使用平板車運(yùn)至下一蓋梁施工。

        待梁體架設(shè)完成后,進(jìn)行蓋梁第二次預(yù)應(yīng)力張拉,將剩余預(yù)應(yīng)力全部張拉完成并及時(shí)壓漿、封錨。

        4 蓋梁計(jì)算

        采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模計(jì)算。

        4.1 荷載取值

        恒載:恒載主要包括上部預(yù)制小箱梁自重,橋面鋪裝、護(hù)欄等二期重量。

        活載:公路一級(jí)荷載,車道按最不利位置加載。

        溫度作用:考慮整體升降溫25℃。

        風(fēng)載:由于該共線段兩側(cè)多為房屋住宅,橋梁受風(fēng)荷載作用效應(yīng)較小,不控制設(shè)計(jì)。

        制動(dòng)力:按照規(guī)范要求考慮。

        施工階段荷載:主要包含架橋機(jī)重量及運(yùn)梁車運(yùn)梁經(jīng)過的荷載。此荷載主要影響不同預(yù)應(yīng)力分批張拉的先后順序。

        4.2 計(jì)算分析

        在基本組合作用下,蓋梁抗彎及抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求,其中抗彎承載能力安全系數(shù)1.2,抗剪承載能力安全系數(shù)1.4。

        控制大懸臂蓋梁設(shè)計(jì)的主要還是抗裂驗(yàn)算,包含施工過程短暫狀態(tài)抗裂及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)抗裂設(shè)計(jì)兩部分。

        在粵贛高速交通事故發(fā)生后,橋梁結(jié)構(gòu)在超載車作用下的安全儲(chǔ)備,成為了必須考慮的課題。本文模擬實(shí)際中有可能發(fā)生的極端情況進(jìn)行分析計(jì)算,即上部最外側(cè)布置一列重車車隊(duì)(即超載車荷載,根據(jù)粵贛高速交通事故中出現(xiàn)的重車稱重,偏于安全的取為120噸/輛),其余車道車輛按規(guī)范正常加載。

        4.2.1 正常使用極限狀態(tài)正截面抗裂驗(yàn)算

        正常使用極限狀態(tài)下,蓋梁抗裂驗(yàn)算結(jié)果如圖。在重車滯留于最左側(cè)車道的工況(重車分項(xiàng)系數(shù)取1),頻遇組合作用下,蓋梁上緣正好無拉應(yīng)力,最不利位置處于重車滯留側(cè)墩頂;蓋梁下緣同樣無拉應(yīng)力,最不利位置處于蓋梁懸臂端部N2鋼束錨固結(jié)束后的局部。

        4.2.2 短暫狀況應(yīng)力計(jì)算

        施工階段,上部架梁順序及蓋梁鋼束張拉順序?qū)ιw梁應(yīng)力影響很大,由于鋼束集中于蓋梁上緣,第一批預(yù)應(yīng)力張拉過多會(huì)導(dǎo)致蓋梁下緣拉應(yīng)力過大,張拉過少則不能完成一次性架梁。

        考慮到盡可能采用一次性架梁節(jié)約工期,預(yù)應(yīng)力鋼束分兩批張拉以滿足施工階段受力需要,模擬分析分5個(gè)施工階段:

        (1)澆筑蓋梁,張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束;(2)一次性架梁(同時(shí)激活左右幅、相鄰兩跨上部一期荷載);(3)張拉第二批預(yù)應(yīng)力鋼束;(4)施加濕接縫、橋面系等荷載;(5)10年運(yùn)營(yíng)階段。

        如圖所示,施工階段三個(gè)控制性階段最大拉應(yīng)力分別為0.6 MPa、0.7 MPa、0.7 MPa,均滿足規(guī)范要求。

        4.2.3 撓度驗(yàn)算

        活載作用下,主梁撓跨比對(duì)行車舒適性有較大影響。相較于常規(guī)蓋梁,大懸臂蓋梁Π型墩在活載作用下會(huì)出現(xiàn)較大的豎向撓度,該撓度主要由兩部分效應(yīng)組成:大懸臂蓋梁本身變形產(chǎn)生的撓度;由于中央墩墩間距較小引起的墩頂橫向轉(zhuǎn)角較大,進(jìn)而導(dǎo)致蓋梁懸臂處有較大豎向撓度。

        蓋梁豎向撓度及對(duì)于撓跨比見下表。其中撓跨比計(jì)算中,撓度值考慮了C50混凝土撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)1.425??鐝饺∩w梁懸臂到墩邊緣的凈懸臂長(zhǎng)度,即11.85 m。

        5 蓋梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        根據(jù)以上驗(yàn)算結(jié)果,可以看到控制蓋梁尺寸及預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)主要由以下幾方面控制:

        (1)蓋梁端部豎向撓度大小,控制了大懸臂蓋梁懸臂尺寸的選擇;

        (2)蓋梁抗彎、抗剪承載能力,控制了大懸臂蓋梁寬度及根部高度的選擇;

        (3)第一次張拉預(yù)應(yīng)力的數(shù)量及布置,應(yīng)同時(shí)滿足張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)蓋梁根部下緣不產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力,且架設(shè)上部小箱梁后,蓋梁上緣不產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力;

        (4)第二次張拉預(yù)應(yīng)力的數(shù)量及布置,應(yīng)同時(shí)滿足張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)蓋梁根部下緣不產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力,且營(yíng)運(yùn)階段,蓋梁上緣不產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力;

        (5)對(duì)于大懸臂蓋梁,應(yīng)特別注意超載車作用下的安全儲(chǔ)備,營(yíng)運(yùn)階段設(shè)計(jì)建議考慮最外側(cè)車道為超載車作用下的設(shè)計(jì)工況;

        (6)預(yù)應(yīng)力線形設(shè)計(jì)直接影響蓋梁斜截面抗裂,盡可能的將預(yù)應(yīng)力下彎束分布均勻可以有效的減小蓋梁主拉應(yīng)力。

        6 結(jié)語

        (1)大懸臂蓋梁Π型墩充分利用地面輔道中央分隔帶處的空間,避免了設(shè)置邊墩對(duì)周圍環(huán)境、行車視野等的干擾; (2)為減小結(jié)構(gòu)尺寸,單端交錯(cuò)張拉的預(yù)應(yīng)力設(shè)置方式,可以使得墩頂處的預(yù)應(yīng)力布置盡可能的密集,最大化預(yù)應(yīng)力效應(yīng);

        (3)大懸臂蓋梁Π型墩預(yù)應(yīng)力布置均偏向于蓋梁上緣。在施工過程中,可以看到上下緣應(yīng)力均控制設(shè)計(jì)。必須充分考慮施工階段中的各項(xiàng)臨時(shí)荷載。過高或過低的估計(jì)施工荷載,都可能造成上緣或者下緣在施工階段中產(chǎn)生拉應(yīng)力。合理的選擇預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序,可以實(shí)現(xiàn)一次落梁,簡(jiǎn)化施工流程;

        (4)蓋梁計(jì)算除了滿足規(guī)范要求的抗裂抗壓驗(yàn)算、承載能力驗(yàn)算之外,應(yīng)著重注意蓋梁剛度的選擇,過小的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)導(dǎo)致蓋梁撓跨比過大,影響行車舒適性。

        參考文獻(xiàn):

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