林 松

(中國華西工程設計建設有限公司,四川 成都 610000)

我國是橋梁大國,據(jù)2016年交通運輸部統(tǒng)計資料,全國公路橋梁有80.53萬座,其中中小橋68.07萬座,占89.1%,絕大多數(shù)橋梁在運營多年后都暴露出支座和伸縮縫的病害,給養(yǎng)護管理部門造成了很大的困擾[1-4],橋梁設計中少設或不設支座和伸縮縫是當代設計師應堅持的理念。

通常無縫橋分為全整體、半整體和延伸橋面板3種形式,全整體式無縫橋在全橋既無伸縮縫又無支座,是無縫橋中整體性能最好的一種形式。由于其還具有抗震性能強、耐久性好、維護成本低、行車舒適度好、全壽命周期經(jīng)濟指標好等優(yōu)點,符合當今橋梁設計理念,在中小橋設計中逐步受到青睞。

1 總體設計

該橋上跨城市道路,橋位周邊是公園和學校,對橋梁設計降低噪聲污染提出了極高的要求,也正是由于對噪聲的要求,導致最初設計的三跨連續(xù)梁方案在后期被否決(如圖1所示)。

基于降低噪聲污染要求,綜合考慮橋梁經(jīng)濟性,設計提出了采用全整體式無縫橋方案。該橋分左、右幅設計,單幅四車道,橋寬為17.0 m,維持跨徑布置3×30 m和橋長90 m與原方案一致;取消兩頭伸縮縫及支座設置,采用墩梁固結,將兩頭橋頭搭板設置為Z型漸變式搭板。為了減少下部結構對上部結構的縱向約束,使得上部結構主梁仍然能按照預應力A類構件設計,設計時將縱橋向雙排樁改成單排樁(橋臺樁基由雙排直徑1.2 m變成單排直徑1.5 m,橋墩樁基由雙排直徑1.5 m變成單排直徑1.8 m),并將原來的方墩改成矩形扁墩(1.5 m×1.5 m方墩變成1.2 m×1.8 m矩形扁墩);為了使得中橫梁受力更加合理,設計增大了墩柱橫向中心間距,避免在橫梁中采用橫向預應力,簡化中橫梁受力。最終橋型立面、斷面如圖2所示,在同類結構中橋長屬國內最長。

上部結構與原方案普通連續(xù)梁一致,采用單箱三室現(xiàn)澆箱梁斷面,梁高為1.6 m;箱梁懸臂寬2.25 m,端部厚0.2 m,根部厚0.4 m;箱梁采用斜腹板,斜率為2∶1,底板寬10.3 m?？缰袛嗝骓敯搴穸葹?.25 m,底板厚度為0.22 m,腹板厚度為0.45 m;在支點位置頂、底、腹板分別加厚至0.45 m,0.42 m,0.75 m,順橋向采用6 m線性漸變過渡。

兩側橋臺與主梁固結,橋臺采用板式橋臺,壁厚為1.0 m,每個橋臺下設置4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁,橋墩采用矩形雙柱墩,順橋向厚為1.2 m,橫橋向寬1.8 m,每根墩柱下面設置1根直徑為1.8 m鉆孔灌注樁;墩柱與樁基之間通過承臺進行連接。

2 有限元模型建立及主要結果

正確合理的有限元模型建立是該橋設計的關鍵環(huán)節(jié),設計時有限元模型采用Midas Civil建立,各桿件單元均采用梁單元進行模擬(見圖3)。與傳統(tǒng)連續(xù)箱梁橋不同的是,全整體式無縫橋上、下部整體受力;模型建立時需要模擬主梁、墩柱和樁基,同時樁基需考慮樁土的共同作用。

與傳統(tǒng)設支座連續(xù)梁區(qū)別在于整體升降溫及臺背的填土荷載一般不會對主梁產生內力;但整體式無縫橋,由于墩梁固結,梁端與橋臺固結,整體升降溫及臺后填土工況會對主梁內力產生較大影響,設計時需要整體考慮,圖4示出了主梁正應力、主應力、位移及自振頻率結果。

樁端嵌巖按照固定邊界考慮,臺背填土按照主動土壓力進行施加,樁周土模擬為只受壓彈簧,彈簧側向剛度K計算如下:

F=σxzAz。

按照溫克爾假定:

σxz=CzXz。

Cz=mz。

Az=azbz。

則:

其中,K為深度z處土的側向彈簧剛度;Az為深度z處土的計算面積;bz為深度z處基樁計算寬度;az為深度z處土層的厚度;Cz為深度z處的地基系數(shù);m為地基土比例系數(shù);z為土的計算深度。

3 關鍵構造設計

與傳統(tǒng)預應力混凝土連續(xù)梁橋相比較,由于全整體式無縫橋橋臺與梁端固結,橋臺抗推剛度大,對主梁在收縮徐變、整體升降溫等受力工況都有著較大的影響;合理的構造設計是實現(xiàn)結構受力合理、施工便捷及結構安全的關鍵之處。

1)橋臺構造設計。該全整體式無縫橋的構造如圖5所示,臺身采用板式結構,厚1.0 m,臺身與樁基之間設置轉換承臺,承臺下設置一排直徑為1.5 m樁基,臺身相隔一定間距設置泄水孔;為了使得預應力張拉階段受力更加合理,張拉力能更大程度施加到主梁上,在臺身設置后澆帶,并設置臨時支撐系統(tǒng)。

臨時支撐系統(tǒng)的設計是該橋設計的關鍵所在,包括型鋼塊,填充砂和砂漿層;型鋼塊傳遞豎向力,填充的砂和砂漿層除起到模板作用,還起到防止?jié)仓_身上半段時水泥漿與臨時支撐系統(tǒng)固結,避免了臨時支撐系統(tǒng)失效;同時也避免了安裝橋臺豎向鋼筋時給模板開孔的麻煩;實現(xiàn)了橋臺分段施工但鋼筋整體綁扎的工藝,給后期同類橋臺的設計帶來借鑒。

2)臺背回填及Z形搭板設計。整體橋臺的臺背回填受到整體升降溫、收縮徐變、車輛等反復荷載作用,搭板的設計及臺背回填是橋梁與道路銜接的關鍵所在。該橋臺背回填構造設計如圖6所示;臺背回填中粗砂起到密實作用;搭板錨筋將Z形搭板主梁連接成為整體,傳遞橋梁縱向位移;Z形搭板使得豎向剛度漸變過渡,避免了臺后不均勻沉降,并將橋梁整體縱向位移傳遞到一定覆土深度,減輕由于橋梁縱向伸縮引起的路面開裂程度。搭板上、下表面設置細沙層,減少搭板伸縮引起的摩擦力。

4 主要施工順序設計

傳統(tǒng)預應力混凝土梁橋多數(shù)采用一次落架施工方法,縱向鋼束張拉完,主體結構成形,不需要施工階段轉換。

但全整體無縫橋由于上下部成為一整體,為了最大程度將預應力效應施加到主梁上,將橋臺背墻分兩階段澆筑,在橋臺設置臨時支撐系統(tǒng),主要施工順序如表1所示。

表1 主要施工順序

5 主要經(jīng)濟指標

全整體式無縫橋不僅力學性能優(yōu),而且經(jīng)濟指標好,擁有廣泛的應用前景,具體見表2,表3。

表2 主要材料用量表

表3 主要材料用量指標表

對比分析上表可知,全整體式無縫橋在上部結構材料用量與普通預應力連續(xù)箱梁基本不變,僅在預應力鋼束用量上略多;下部結構由于將雙排樁改成單排樁,將重力臺改成板式臺,大大減少了下部結構(樁基+墩臺)材料用量,混凝土用量減少約55%;但全整體式無縫橋上、下部結構一起受力,下部結構除承受豎向力外還承受彎矩,導致下部構件配筋率高,總體鋼筋用量相當。

6 結論

本文總結分析了某全整體無縫橋總體設計,關鍵構造細節(jié)、有限元模型、關鍵施工技術、主要經(jīng)濟指標,通過總結分析得出如下結論:

1)全整體式無縫橋不僅整體性能好,抗震性能強,行車舒適度高,相比于普通連續(xù)箱梁橋,其經(jīng)濟指標還優(yōu)。

2)本文中有限元模擬技術,構造細節(jié)、施工技術可以為今后同類橋梁設計提供參考。

3)在我國已建成的橋梁中,中小橋占據(jù)很大比重,絕大多數(shù)橋梁在運營多年后都暴露出支座和伸縮縫的病害,本文為已建成部分中小橋今后無縫化改造提供思路。