王 亮

(中冶京誠工程技術有限公司,北京 100176)

進入21世紀以來,我國城市規(guī)模不斷擴大,人口規(guī)模不斷增加,城市交通建設規(guī)模持續(xù)增長,城市與城市之間的溝通更加緊密,人員與物資的流通更為頻繁。因此,公路交通和城市交通在此基礎上得到了快速發(fā)展,平面交通往往不能滿足現(xiàn)實和發(fā)展的需求,交通逐漸往空間、樞紐形式發(fā)展,大規(guī)模城市立交和互通樞紐成為必然選擇的建造形式。城市立交和互通樞紐設計建造主要以橋梁結構形式為主,由于環(huán)境條件的制約,橋梁結構往往需要跨越既有道路、鐵路和水系等各種障礙物,道路線形也是多為平面曲線。橋梁結構需要適應道路平面曲線,預制裝配式橋梁為直線預制,在曲線橋的布設上存在一定的困難;現(xiàn)澆橋梁可以適應各種線形,但是現(xiàn)澆橋梁往往需要占用較多的橋下空間資源,需要較長的施工工期,對于曲線橋梁和節(jié)點工程也不適用。鋼箱梁橋以其結構輕盈、適應各種曲線線形、施工工期短、占用道路資源少等優(yōu)點,成為曲線橋梁和節(jié)點工程橋梁結構普遍選擇的結構形式[1-2]。

針對公路和城市道路工程,鋼橋一般作為混凝土橋梁的有效補充。鋼橋往往采用鋼箱梁橋和鋼混組合梁橋,主要有以下幾個特點:

1)需要跨越既有道路等構造物的大跨徑位置,一般跨徑大于50 m;2)采用混凝土橋梁高受限制的位置,鋼箱梁可以有效減小梁高和道路縱坡;3)對于施工工期有一定要求的位置,鋼橋可以有效減少工期;4)地震設防烈度較高的位置,鋼結構相對混凝土結構質(zhì)量可以有效減小,以減小地震水平力。

1 工程概況

廈門翔安隧道進出口接線工程(西濱互通提升改造)是拓展廈門城市發(fā)展空間,構建海灣型城市的需要,是完善翔安區(qū)路網(wǎng)格局,提升道路通行能力的需要,是緩解進出島壓力的需要。本項目C1匝道橋跨越翔安大道、翔安西路、地鐵4號線、E匝道以及還原路,跨越位置采用鋼箱梁結構形式?？缭较璋参髀窐蛄嚎鐝綖?4 m,跨越地鐵4號線跨徑為68 m,橋梁立面如圖1所示。道路平曲線半徑為R=145 m,緩和曲線參數(shù)為A=85.147 m,橋梁寬10 m。

橋梁結構設計技術標準如下:

道路等級:一級公路;設計速度:40 km/h;設計荷載:汽車荷載,公路-Ⅰ級(城-A級校核);地震動峰值加速度系數(shù):0.15g;抗震設防烈度:7度;橋梁抗震設防分類為B類,抗震措施等級為三級,抗震設計方法為1類。橋梁上部結構采用Q420鋼材,下部結構橋墩墩身采用C40混凝土,橋墩基礎采用C30混凝土,鋼材和混凝土材料技術特性見表1。

表1 橋梁材料特性表

2 橋梁整體方案比選

針對橋梁所處地形地貌情況,結合橋梁所跨越的道路情況,按以下原則進行擬定橋梁設計方案:

1)遵循總體規(guī)劃和道路交通規(guī)劃,充分重視用地規(guī)劃、周邊道路的交通組織,滿足規(guī)劃的功能要求。2)橋梁結構設計從安全、適用、耐久、經(jīng)濟、環(huán)保、美觀、施工快捷等角度制定方案。3)橋梁結構在滿足使用功能的前提下,方案的選擇應因地制宜、簡潔美觀,做到規(guī)格標準化,以期方便施工,縮短工期,降低工程造價。4)針對橋面伸縮縫及橋面排水系統(tǒng)等細節(jié)部位進行詳細設計,保證運營階段行車的平順和安全。5)橋梁結構設計方案要注重景觀協(xié)調(diào),主梁和橋墩結構設計與既有橋梁和環(huán)境相適應。6)秉承綠色道路建設理念,結合橋梁所在區(qū)域的資源、生態(tài)環(huán)境,以資源利用最佳、能源消耗最小、污染排放最少、技術先進的原則進行設計。

在此原則的指導下,橋梁結構擬采用鋼箱梁結構形式,鋼箱梁結構輕盈、施工方便、節(jié)能高效,相比混凝土橋梁具有明顯的優(yōu)勢。

橋梁方案采用四種方案進行研究分析比選,分別是方案一54 m和68 m跨徑簡支結構、方案二(54+48+68)m連續(xù)結構、方案三(54+48+68+48)m連續(xù)結構、方案四(54+48+68+48)m連續(xù)剛接墩結構形式。

針對以上四個方案的跨中正彎矩、支點負彎矩和扭矩進行了計算分析,結果見表2,繪制成圖見圖2,圖3。

表2 結構內(nèi)力比選表 kN·m

從表2,圖2可以看出,簡支梁跨中彎矩最大。由方案一調(diào)整為方案二增加48 m中跨后,54 m跨跨中彎矩減少約11%,68 m跨跨中彎矩減少23%,但是方案二存在的問題是邊跨68 m,中跨48 m,邊中跨比例不協(xié)調(diào)。因此,考慮給方案二增加一個邊跨,為方案三,調(diào)整68 m跨彎矩,調(diào)整后,方案三相對于方案二68 m跨跨中彎矩減少23%,支點負彎矩減少5.5%。方案四相對于方案三增加了墩梁固接,從計算數(shù)據(jù)可以看出,墩梁固接沒有顯著改變連續(xù)梁的受力狀態(tài)。

從表2,圖3可以看出,簡支梁跨中扭矩最大。方案二相對于方案一扭矩減少21%,方案三相對于方案二扭矩減少12%,方案四相對于方案三扭矩減少23%。因此可以判斷,連續(xù)梁相對于簡支梁抗扭性能改善很多,固結體系相對于連續(xù)體系抗扭性能也有明顯的改善。

從彎矩和扭矩以上兩個方面進行分析,墩梁固接體系不會明顯改變連續(xù)體系豎彎方向結構受力,但是明顯改善了結構的抗扭性能,而且從構造上可以顯著增加橋梁的穩(wěn)定性和安全儲備。因此,對于此種大跨徑曲線梁橋,采用連續(xù)體系,輔以墩梁固接構造是最優(yōu)的設計方案。

3 結構抗傾覆分析

自2007年以來,國內(nèi)一些橋梁尤其是寬度較窄的匝道橋發(fā)生了橫橋向傾覆事故,造成了財產(chǎn)和生命的損失。從這些事故可以發(fā)現(xiàn),傾覆垮塌的橋梁結構為整體垮塌,未出現(xiàn)主梁斷裂等強度破壞,破壞為穩(wěn)定性問題。事故的基本特征為:

1)橋梁均采用整體式箱形截面,多為匝道橋,橋?qū)捿^窄。2)橋梁結構形式多為鋼箱梁,鋼箱梁結構自重相對于混凝土橋梁更輕,抗傾覆力矩更小。3)橋臺或過渡墩支座間距偏小,墩柱采用了獨柱單支撐設計,結構多為連續(xù)體系直線梁橋或曲線梁橋。4)車輛載重為設計荷載的2倍～4倍,遠超汽車設計荷載,重載車輛靠外側(cè)邊緣行駛,甚至并行在外側(cè)停車駐留。

橋梁結構的橫向傾覆穩(wěn)定性問題與橋梁結構的體系和支撐布置具有直接的關系,尤其是曲線鋼箱梁橋抗傾覆特性尤為復雜[3-5]。

本項目對以上擬定的四種橋梁方案進行抗傾覆分析,以確定最優(yōu)的橋梁體系和支撐體系。

整體式箱梁常規(guī)支座間距約為橋?qū)挼?/3,本橋橋?qū)?0.0 m,支座間距取3.0 m,經(jīng)計算,各方案橋梁抗傾覆安全系數(shù)見表3。

表3 支座間距3.0 m對應傾覆穩(wěn)定系數(shù)

從表3中可以看出,針對該大跨徑小半徑曲線鋼箱梁橋按常規(guī)支座間距抗傾覆安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求;方案一簡支體系橋梁抗傾覆安全系數(shù)最小,不足1.0,因此說明曲線鋼結構橋梁不宜采用簡支體系結構;改為連續(xù)體系后,抗傾覆安全系數(shù)逐漸增大,針對方案三和方案四,采用連續(xù)體系和固結體系抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)基本一致。

因此,將鋼箱梁支座間距增大為5.0 m,經(jīng)計算,各方案橋梁抗傾覆安全系數(shù)見表4。

表4 支座間距5.0 m對應傾覆穩(wěn)定系數(shù)

從表4中可以看出,支座間距增大到5 m后,抗傾覆安全系數(shù)增加較多,除簡支方案不滿足規(guī)范要求外,其余連續(xù)結構均滿足規(guī)范要求。因此針對大跨徑小半徑鋼箱梁橋支座間距建議不小于1/2橋?qū)挕?/p>

4 結構抗震分析

橋梁抗震設計分兩階段,分別為E1和E2,一般設計原則如下:

1)地震水平與橋梁上部結構重量呈線性關系,上部結構宜選用結構自重輕的結構形式,鋼箱梁結構相對于混凝土結構重量顯著降低,宜優(yōu)先選用。

2)保證橋墩的統(tǒng)一設計狀態(tài),比如統(tǒng)一按彈性設計或者延性設計,盡量采用彈性設計。

3)如橋梁進入塑性,充分考慮橋梁的延性設計,塑性鉸區(qū)應保證箍筋的體積配箍率,以保證能力保護構件的抗剪能力。

4)橋梁支座是上部結構與下部結構之間重要的傳力構件,直接承擔地震水平力,設計應重點核算支座承載力[6]。

根據(jù)橋位的勘察資料表明,擬建場地無活動斷裂通過,根據(jù)JTG B02—2013公路工程抗震規(guī)范及GB 18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖,擬建場地基本地震動峰值加速度為0.15g,反應譜特征周期為0.45 s,抗震設防烈度為7度,設計地震分組為第三組。

本項目橋梁抗震設防分類采用B類,抗震措施采用三級措施等級,抗震設計方法采用1類。

采用Midas有限元模型建立C1匝道橋有限元模型,如圖4所示。

根據(jù)建立的有限元模型,地震作用方向以聯(lián)端連線為基準設置,進行計算E1地震作用下的承載力驗算和E2地震作用下能力保護構件驗算。經(jīng)計算,E1地震作用下橋墩縱橋向彎矩圖如圖5所示。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn),固結墩處橋墩縱橋向彎矩最大,從設計合理和經(jīng)濟性考慮,固結墩采用雙排并置主筋,其余橋墩配筋采用單排主筋,經(jīng)計算,橋墩承載力滿足規(guī)范要求,見表5。

表5 E1地震作用下橋墩承載力

E2地震作用下首先考慮采用延性設計理念,墩梁固結處產(chǎn)生塑性鉸。首先分析橋墩的彎矩曲率曲線,橋墩配置一排鋼筋和兩排鋼筋的彎矩曲率曲線分別如圖6,圖7所示。

橋墩配置兩排鋼筋,極限彎矩為32 319 kN·m,屈服彎矩為40 225 kN·m,塑性鉸區(qū)剪力為4 469 kN;橋墩配置1排鋼筋,極限彎矩為22 207 kN·m,屈服彎矩為25 318 kN·m,塑性鉸區(qū)剪力為2 813 kN。因此,從理論分析,橋墩配筋越多,塑性鉸區(qū)剪力越大,能力保護構件越不容易計算通過。根據(jù)規(guī)范要求,在E2地震作用下,當結構未進入塑性工作范圍時,橋梁墩柱的剪力設計值、橋梁基礎和蓋梁的內(nèi)力設計值可用E2地震作用的計算結果。經(jīng)計算,E2地震作用下橋墩彎矩為25 845 kN·m,剪力為547 kN。E2地震作用下橋墩承載力見表6。

表6 E2地震作用下橋墩承載力

經(jīng)計算,在E2地震作用下橋墩配置兩排主筋橋墩強度滿足規(guī)范要求,不會發(fā)生屈曲,產(chǎn)生塑性鉸,能力保護構件計算橋墩剪力可采用E2作用下橋墩剪力547 kN,僅為產(chǎn)生塑性鉸時剪力的20%,能力保護構件計算通過。

支座是影響橋梁抗震計算承載力的重要構件。根據(jù)規(guī)范要求,如橋梁固定支座水平抗震能力不滿足規(guī)定時,應通過計算設置連接橋梁梁體和墩柱間的剪力鍵,由剪力鍵承受支座所受的地震水平力[7]。本項目橋梁支座采用盆式支座,盆式支座水平承載力僅為豎向承載力的10%,無法滿足抗震水平承載力要求,因此設置抗震錨栓,抗震錨栓采用雙肢槽鋼。支座抗震計算結果見表7。

表7 地震作用支座位移計算

經(jīng)計算E2地震水平力為2 341 kN,固定支座水平抗力為1 000 kN,該聯(lián)錨栓抗力為3 835 kN,聯(lián)合抗力為5 035 kN,滿足要求。

5 結論

1)針對大跨徑曲線匝道橋,鑒于鋼箱梁結構自重輕、抗扭剛度大、施工速度快等特點,宜優(yōu)先選用鋼箱梁結構。

2)對于橋梁體系的選擇,簡支體系橋梁跨中彎矩最大、扭矩大,曲線鋼箱梁橋不宜選用簡支結構。連續(xù)橋梁體系能顯著降低跨中彎矩和扭矩,宜優(yōu)先選用連續(xù)體系橋梁。同時,根據(jù)橋梁縱坡、曲線半徑等要求,亦可選用固結體系,固結體系受力與連續(xù)體系相比變化不大,但是能顯著提高結構安全的冗余度。

3)鋼結構相對于混凝土結構自重較小、抗傾覆力矩小,其穩(wěn)定性應重點關注,曲線鋼結構橋梁支座間距建議按不小于1/2橋?qū)挷贾?需要時可適當增加配重。

4)鋼結構橋梁由于自重輕,對于抗震是有利的?？拐痼w系的選擇,如按延性理念設計,導致箍筋配筋過多,主筋配筋偏少,延性體系產(chǎn)生的塑性鉸無法恢復,同時固定墩與其他墩最終狀態(tài)不一致,因此建議根據(jù)支座體系情況,不同的墩采用不同的配筋形式,保證E2狀態(tài)下不進入塑性,均處于彈性穩(wěn)定狀態(tài)。盆式支座水平承載力一般不能滿足抗震的要求,需要增加豎向抗震錨栓補充承擔地震水平力。