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        深水庫區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計要點分析

        2022-08-14 12:26:08徐章潔
        技術(shù)與市場 2022年8期
        關(guān)鍵詞:箱梁橋梁設(shè)計

        徐章潔,代 富,陳 曦

        (中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)

        0 引言

        隨著我國水電站建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,電站建設(shè)規(guī)模日益增大,庫區(qū)段過江交通已不再滿足于索道、渡頭等交通形式,由此不可避免在大型水庫中修建越來越多的深水高墩橋梁。對位于四川西部高原地區(qū)的電站來說,由于地理位置原因,若采用超大跨橋型如懸索橋、斜拉橋等,后期養(yǎng)護困難,養(yǎng)護費用高,而連續(xù)剛構(gòu)橋型由于其跨越能力大、施工方便、后期養(yǎng)護費用少,成為電站庫區(qū)中常用的主流橋型[1]。本文以雙江口水電站庫區(qū)G317線復建公路紅旗大橋為例,探討該類型橋梁的設(shè)計要點,為同類型橋梁的設(shè)計提供借鑒和參考。

        1 工程概況

        雙江口水電站為大渡河干流上游控制性水庫工程,電站壩址位于大渡河上源河流足木足河與綽斯甲河匯合口以下2 km河段,地跨阿壩州馬爾康縣和金川縣,上距馬爾康縣城約44 km,下距金川縣城約48 km。電站正常蓄水位2 500 m,最低蓄水位為2 420 m,水位變動幅度達到80 m。雙江口水電站庫區(qū)G317線復建公路設(shè)計等級為三級公路,設(shè)計時速40 km/h,紅旗大橋為該線路上的一座特大橋,主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為(120+220+120)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。橋梁總體布置如圖1所示。

        橋梁寬度采用凈-11.0 m(行車道)+2×0.75 m(人行道)+2×0.25 m(護欄),總寬13.0 m;設(shè)計荷載須同時滿足公路—Ⅰ級及汽-60級;地震動峰值加速度為0.10 g,地震動反應(yīng)特征周期為0.45 s。

        注:圖中水位單位為m,其余單位為cm。

        2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

        紅旗大橋主橋采用(120+220+120)m連續(xù)剛構(gòu),為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),箱梁采用單箱單室截面。箱頂板寬13 m,底板寬7 m。箱梁根部梁高14.5 m,中跨跨中及現(xiàn)澆合龍段梁高4.5 m,箱梁底板下緣按1.8次拋物線變化。0號塊箱梁底板厚度為170 cm,各梁段底板厚從懸臂根部至懸澆段結(jié)束處為150 cm—35 cm,其間按1.8次拋物線變化,跨中合龍段及邊跨現(xiàn)澆段底板厚度為35 cm。箱梁0號塊頂板厚度為50 cm,其余節(jié)段為32 cm。箱梁腹板厚度由90 cm—75 cm—60 cm。主墩墩頂截面箱梁橫斷面構(gòu)造尺寸如圖2所示,跨中截面箱梁橫斷面構(gòu)造尺寸如圖3所示。

        注:單位為cm

        注:單位為cm

        箱梁0#塊長14 m,每個“T”構(gòu)向兩側(cè)各劃分為26個節(jié)段,“T”構(gòu)最大懸臂長度為108.5 m,每個邊跨現(xiàn)澆段長度為4 m。全橋共設(shè)3個合龍段(2個邊跨合龍段,1個中跨合龍段),每段長度均為2.0 m。主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系,縱向預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置了腹板束、頂板束和底板束。腹板束、頂板束采用25Φs15.2、20Φs15.2鋼絞線,底板束采用20Φs15.2鋼絞線。橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用2Φs15.2鋼絞線,豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用3Φs15.2鋼絞線,順橋向均按0.5 m間距布置。

        2.2 主墩設(shè)計

        12#、13#主墩采用單室空心墩,墩高172 m,縱橋向墩頂寬11 m,墩底寬13.04 m,上部70 m范圍內(nèi)寬度不變,下部按1:100放坡;橫橋向墩頂寬7 m,墩底寬12.734 m,按1:60放坡;墩壁厚70~90 cm,墩底設(shè)3.0 m高的實心段。

        2.3 交界墩設(shè)計

        交界墩采用單室空心墩,墩高分別為81 m及88 m,縱橋向墩頂寬4 m,墩底寬分別為6.025 m及6.2 m,按1:80放坡;橫橋向墩頂寬7.2 m,墩底寬分別為9.225 m及9.4 m,按1:80放坡;墩壁厚60~80 cm,墩底設(shè)2.5 m高的實心段。

        3 深水庫區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁的特點

        3.1 上部結(jié)構(gòu)跨度大,易產(chǎn)生病害

        本橋位于電站庫區(qū)蓄水范圍內(nèi),且山高水深,正常蓄水位時水面寬度超過580 m,水面至溝谷底部的高度超過210 m,因此為適應(yīng)地形條件,連續(xù)剛構(gòu)橋梁的上部結(jié)構(gòu)主跨跨徑達到220 m。連續(xù)剛構(gòu)橋梁隨著跨度增大,較易出現(xiàn)跨中下?lián)希數(shù)装?、腹板開裂等病害,同時隨著跨度增大,施工質(zhì)量控制難度也相應(yīng)增大,導致后期出現(xiàn)病害的風險也相應(yīng)增大。

        3.2 橋墩墩高較高,且淹沒水深大

        由于橋梁位于電站庫區(qū)內(nèi),橋梁主墩高度達到172 m,交界墩最大墩高達到88 m,而受電站蓄水位影響,正常蓄水位下,主墩淹沒水深達到160 m以上,電站運行期水位變幅達到80 m。深水淹沒區(qū)橋梁的特殊性在于一旦因為地震導致橋梁損壞,其修復時間長,修復難度大,特別是對于淹沒在水下部分的橋墩,震后維修加固必須在水下進行,施工難度及經(jīng)濟代價都非常大,因此深水淹沒區(qū)橋梁的抗震問題不容忽視。

        3.3 岸坡穩(wěn)定性受蓄水影響較大

        以本橋為例,電站庫區(qū)蓄水位變幅達到80 m,主墩所處岸坡下部覆蓋層最大厚度約20 m。在非庫區(qū)條件下,岸坡穩(wěn)定性分析主要考慮天然工況、暴雨工況及地震工況,但受蓄水影響,岸坡穩(wěn)定還須考慮庫水驟降工況。此外,土質(zhì)邊坡在水庫蓄水后內(nèi)摩擦角及粘聚力降低,極易發(fā)生滑移或蠕變,對主墩產(chǎn)生水平推力,影響程度難以精確計算。

        4 深水庫區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計關(guān)鍵問題解決方案

        4.1 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋腹板及頂、底板裂縫問題

        導致大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋腹板及頂、底板裂縫產(chǎn)生的原因較復雜[2],在滿足計算要求且配置足夠預(yù)應(yīng)力鋼束的情況下,后期運行過程中,連續(xù)剛構(gòu)橋的腹板及頂、底板仍可能產(chǎn)生裂縫。因此,為避免箱型梁體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,本橋設(shè)計時考慮采用構(gòu)造措施,在0#~5#梁段范圍內(nèi),對腹板、橫隔板、頂版、底板的內(nèi)外壁增設(shè)一層直徑6.5 mm、網(wǎng)眼間距8 cm×8 cm的帶肋鋼筋焊網(wǎng);在6#~29#梁段,對腹板、底板的內(nèi)外壁增設(shè)一層直徑6.5 mm、網(wǎng)眼間距8 cm×8 cm的帶肋鋼筋焊網(wǎng)。

        4.2 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)蠁栴}

        大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主跨跨中下?lián)系脑蛴衃3]混凝土收縮徐變、施工偏差、運營期超載等。設(shè)計時除選擇合適的主梁結(jié)構(gòu)尺寸并設(shè)置預(yù)拱度外,本橋設(shè)計時,考慮在主跨處,以跨中位置為豎曲線交點設(shè)置0.5%雙向縱坡,以便于成橋狀態(tài)下跨中預(yù)留一定上拱富裕度。

        4.3 地震動水效應(yīng)的影響

        本橋在庫區(qū)正常蓄水位狀態(tài)下,絕大部分橋墩都淹沒在水中,地震工況下,水體對橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性會產(chǎn)生顯著的影響。目前工程上一般采用附加橋墩一定范圍的水體質(zhì)量來體現(xiàn)這種墩和水在運動情況下的耦合作用。本橋設(shè)計時,采用賴偉等[4]提出的矩形截面柱體單位高度上動水附加質(zhì)量的等效公式來計算附加質(zhì)量的數(shù)值,并采用橋梁空間分析軟件Midas Civil建立全橋模型進行數(shù)值模擬計算,模型中主梁與主墩采用剛性連接,計算模型如圖4所示。

        圖4 全橋有限元計算模型

        本橋設(shè)計時依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》進行,橋梁主跨220 m,為A類抗震設(shè)防類別,須同時進行E1和E2地震作用下的抗震設(shè)計。由于E2地震作用為控制因素,本文僅列出E2地震作用下主墩墩底的地震響應(yīng)分析結(jié)果,如表1所示。

        通過對比分析可以發(fā)現(xiàn):考慮水的影響后,結(jié)構(gòu)在橫橋向的彎矩增加達到50%以上,縱橋向彎矩也增加達到30%以上,因此,在深水條件下,庫水對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響不容忽視,在設(shè)計中必須予以重視。

        表1 主墩墩底地震動響應(yīng)分析對比

        本橋在設(shè)計時考慮到主墩處于庫區(qū)深水中的特殊情況,若橋墩在E2地震作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷,則震后檢修維護極為困難,故下部結(jié)構(gòu)在設(shè)計時適當提高了結(jié)構(gòu)強度,使橋墩在E2地震作用下仍處在彈性工作狀態(tài),從而確保下部結(jié)構(gòu)留有足夠的安全儲備。

        4.4 岸坡防護設(shè)計

        為避免主墩岸坡下部覆蓋層發(fā)生滑移或蠕變對主墩產(chǎn)生水平推力,本橋在設(shè)計時,要求對承臺頂面高程以上部分的覆蓋層全部進行清除處理。

        5 結(jié)語

        雙江口水電站紅旗大橋的跨度及墩高均在國內(nèi)同類型橋梁中位于前列,并且橋墩淹沒水深大,因此具有一定的特殊性。本橋在設(shè)計中針對連續(xù)剛構(gòu)橋梁較易產(chǎn)生病害的關(guān)鍵問題采取了一定的工程措施,并采用附加質(zhì)量方法來考慮地震作用下庫水對橋梁響應(yīng)的影響,本橋的設(shè)計方法可對同類型橋梁的設(shè)計和分析提供一定的借鑒和參考。

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