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        山區(qū)跨河異形短邊跨連續(xù)剛構橋的設計與創(chuàng)新

        2023-09-22 08:14:58姜興洪
        四川水泥 2023年9期
        關鍵詞:箱梁橋梁施工

        姜興洪

        (四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司,四川 成都 610041)

        0 引言

        俞家村一組大橋是四川省2021-2023 年農(nóng)村鐵索橋改公路橋?qū)m椡七M方案重點工程,大橋位于廣元市朝天區(qū)朝天鎮(zhèn),跨越嘉陵江,項目起點接S410 線,終點接三灘村既有道路。該項目的建設改善了三灘村村民通過鐵索橋和渡口出行不便的現(xiàn)狀,為促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和完善交通網(wǎng)絡起著重要作用。

        該項目按照引道四級公路(Ⅱ類)標準建設,橋梁按照三級公路標準建設。本文對山區(qū)跨河異形短邊跨連續(xù)剛構橋的設計與創(chuàng)新進行介紹。

        1 異形剛構橋設計

        1.1 技術標準

        橋梁設計荷載等級為公路-I 級;設計行車速度為30km/h;設計洪水頻率為1/100;通航等級為Ⅶ級通航(雙向通航孔通航凈寬32m,通航凈高4.5m);抗震設防烈度為7度;地震動峰值加速度為0.15g;橋梁標準寬度為8m,兩個邊跨橋梁寬度從8m過渡到20m,雙向兩車道。

        1.2 上部結構設計

        俞家村一組大橋為三跨預應力混凝土連續(xù)剛構橋[1],跨徑布置為(35+75+35)m,邊中跨比為0.467。橋梁立面和平面布置如圖1、圖2 所示,橫斷面圖如圖3 所示。

        圖1 俞家村一組大橋立面布置(單位:m)

        圖2 1/2俞家村一組大橋平面圖(單位:cm)

        圖3 俞家村一組大橋橫斷面圖(單位:cm)

        箱梁縱橋向為全預應力混凝土結構,主梁零號塊長度為9.00m,主跨懸臂施工梁段數(shù)及梁段長度從零號梁段根部至跨中分別為4×3.0m、5×4.0m,邊跨支架現(xiàn)澆施工梁段數(shù)及梁段長度從零號梁段根部至邊跨端頭分別為3×6.0m、1×12.46m。主跨采用單箱單室箱形直腹板截面,邊跨1′現(xiàn)澆塊和2′現(xiàn)澆塊采用單箱單室箱形截面,箱梁頂板寬8m,底板寬5m,外翼緣懸臂長1.5m,3′現(xiàn)澆塊采用單箱單室箱形截面,箱梁頂板寬8~8.45m,底板寬5~5.42m,外翼緣懸臂長1.5~1.52m,4′現(xiàn)澆塊采用單箱單室過渡到單箱三室箱形截面,箱梁頂板寬8.45~20.0m,底板寬5.42~15.3m,外翼緣懸臂長1.52~2.03m。箱梁頂板設置成2%雙向橫坡。箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高2.4m(箱梁高度均以箱梁截面中心高度為準),橋墩與箱梁相接的根部斷面及墩頂零號梁段高為4.5m。從箱梁根部至跨中合攏段,箱梁梁高以二次拋物線變化。箱梁腹板在墩頂范圍內(nèi)厚70cm,腹板從根部到跨中及邊跨現(xiàn)澆段按70cm、50cm2種厚度設置。箱梁底板厚除零號梁段為80cm 外,其余各梁段底板從箱梁零號塊端部截面的80cm 厚按二次拋物線漸變至跨中合攏段截面的30cm。主橋在兩個主墩墩頂各設兩道2.00m厚的橫隔板。

        主橋邊跨采用支架分段現(xiàn)澆施工,主跨采用懸臂掛籃施工,施工步驟如圖4 所示。懸臂澆注梁段最大控制重量75.5t,掛籃設計自重以32t 控制。全橋共設1個合攏龍段,中跨合攏段長度為2.00m。

        圖4 施工步驟圖

        主梁設置縱向預應力鋼束,未設置橫橋向預應力鋼束和豎橋向預應力鋼束。頂板束、腹板束和底板束均采用15~15.2規(guī)格,預應力總體布置如圖5所示。

        圖5 預應力鋼束總體布置圖

        1.3 下部結構設計

        主墩采用鋼筋混凝土空心薄壁墩,鉆孔灌注樁承臺基礎。薄壁墩厚2.00m,寬5m,壁厚0.5m,采用翻模法或滑模法施工。承臺厚2.7m,長6.5m,寬6.5m,采用鋼板樁圍堰施工。每個橋墩樁基為4根嵌巖樁,直徑為1.5m,采用鋼護筒鉆孔灌注施工,樁基間距縱向4m。兩岸橋臺均采用樁柱式橋臺,每個橋臺設置4 根樁基,樁基直徑1.5m。0號橋臺和3號橋臺均采用嵌巖樁設計。

        橋梁與橋臺之間設置聚氨酯填充式無縫伸縮縫PUTF-80 型號,橋梁邊跨采用圓形滑板橡膠支座(GBZYH550×153(CR))。

        2 設計理念

        項目所在地為典型依山傍水的山區(qū)沿河地形,跨徑布置時受既有交通線路和保護區(qū)限制,既有交通為兩岸分別布置既有省道和運營寶成鐵路線,限制了橋梁總長不超過147m;嘉陵江河中為蜀道劍門風景名勝區(qū)核心區(qū),核心區(qū)內(nèi)不能設墩,確定主跨不小于75m。

        橋型選擇時,懸索橋、斜拉橋既不具有經(jīng)濟性,也無施工條件,現(xiàn)場無大型吊車作業(yè)條件,該區(qū)段河流枯水季水位較低,有通航規(guī)劃但無通航運輸條件,因此懸索橋和斜拉橋方案不可行;其次考慮拱橋,嘉陵江在該河段河道較窄,洪水水位較高,項目工期要求橋梁需在一個枯水期內(nèi)施工完成,現(xiàn)場無扣塔體系布置條件,且鋼管樁支架施工風險較高,因此拱橋方案不可行;最后考慮梁橋,主跨75m 采用鋼箱梁時方案可行,但75m 鋼箱梁無運輸和吊裝條件;采用變高連續(xù)梁時,由于邊中跨比只有0.467,施工期由于結構非對稱,施工風險極大,因此考慮墩梁固結,最終橋型和跨徑布置確定了小邊中跨比的(35+75+35)m連續(xù)剛構,邊中跨比為0.467。

        為平衡主跨自重和將路基上無條件布置的平交口移動到橋上,邊跨采用變寬變箱“大變寬喇叭形”箱梁,由單箱單室變?yōu)閱蜗淙?,橋面寬度?m 增加至20m,在變箱處設置橫隔板提高梁體抗扭剛度。

        由于邊中跨比小于0.5,因此邊跨無法設置合攏段,全橋僅有一個合攏段,即跨中合攏段。邊跨為“大變寬喇叭形”箱梁,掛籃施工困難較大,充分利用邊跨地形為緩坡的優(yōu)勢,采用大鋼管樁支架體系進行分段支架現(xiàn)澆,為避免主跨掛籃懸澆不平衡傾覆并避免過大配重,施工考慮邊跨分段支架現(xiàn)澆先于主跨懸澆。

        橋上護欄采用混凝土矮基座+鋼管組合護欄形式,為SB 級護欄;20m 長伸縮縫采用聚氨酯填充式無縫伸縮縫PUTF-80型,減少后期養(yǎng)護成本。

        3 異形結構計算分析

        3.1 建立計算模型

        相比于常規(guī)設計的連續(xù)剛構橋而言,異形非對稱結構、非對稱施工、變寬變箱的連續(xù)剛構橋預應力配置與計算分析是影響工程成敗與否的關鍵因素。因此,該項目采用Midas Civil2021 軟件建立空間桿系有限元模型進行全橋靜力分析,模型離散為84 個單元,95 個節(jié)點,考慮施工順序,建立41 個施工階段。空間桿系模型如圖6所示。

        圖6 橋梁有限元模型

        3.2 計算荷載取值

        (1)橋梁結構安全等級按一級考慮,結構重要性系數(shù)為1.1;

        (2)懸臂施工掛籃重量按32t考慮;

        (3)中跨合龍考慮600kN頂推力;

        (4)汽車荷載按公路-I級的加載;

        (5)汽車制動力按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2014)采用2車道計算[2];

        (6)設計參數(shù):混凝土重力密度γ=26.0kN/m3,彈性模量為Ec=3.45×104MPa;瀝青混凝土重力密度γ=24kN/m3;

        (7)混凝土結構的收縮徐變按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362-2018)取值計算[3];

        (8)預應力彈性模量Ep=1.95×105MPa,松馳率ρ=0.035,松馳系數(shù)ξ=0.3;

        (9)墩臺不均勻沉降值取1cm;

        (10)溫度作用:根據(jù)氣象資料,全橋結構體系溫差取+25℃、-20℃,溫度梯度作用取值為:

        正溫度梯度:14℃,5.5℃,0℃;

        負溫度梯度:-7.0℃,-2.75℃,0℃。

        3.3 主要計算結果

        3.3.1 承載能力極限狀態(tài)驗算

        箱梁正截面抗彎承載力驗算結果和抗剪承載力驗算結果如表1和表2所示。

        表1 抗彎承載力驗算結果

        表2 抗剪承載力驗算結果

        由表1和表2驗算結果可知,主梁強度驗算滿足要求。

        3.3.2 正常使用極限狀態(tài)

        正常使用極限狀態(tài)下,正截面抗裂驗算結果如表3所示,斜截面抗裂驗算結果如表4所示。

        表3 頻遇組合下正應力結果(單位:MPa)

        表4 頻遇組合下主應力結果(單位:MPa)

        由表3和表4結果可知,正應力和主應力均滿足規(guī)范要求。

        梁體長期撓度增長系數(shù)為1.425,荷載短期效應組合作用下,梁體長期撓度值消除結構自重產(chǎn)生的長期撓度值考慮增長系數(shù)后為16.1mm×1.425=22.9mm<75000/600=125mm,箱梁剛度滿足規(guī)范要求。

        3.3.3 持久狀況和短暫狀況

        對于持久狀況構件應力,標準組合下箱梁法向壓應力最大值為11.2MPa<16.2MPa,最大主壓應力11.1MPa<19.44MPa,最大預應力鋼束拉應力1204 MPa<1209MPa,滿足規(guī)范要求。對于短暫狀況構件應力,最大壓應力10.5MPa<18.144MPa,滿足規(guī)范要求。

        4 結束語

        俞家村一組大橋在項目受地形地勢、投資規(guī)模、行洪通航、風景名勝區(qū)和既有交通狀況等多方面因素影響,導致路線選線條件受限的情況下,經(jīng)過設計創(chuàng)新,最終選擇跨徑布置為(35+75+35)m 的非對稱施工變寬變箱異形連續(xù)剛構橋,經(jīng)有限元計算結果表明,結構受力合理,滿足規(guī)范的相關要求,實現(xiàn)了橋梁經(jīng)濟性、環(huán)境協(xié)調(diào)性、施工方便性。該橋預計2023 年年底前合龍,可為類似橋梁設計提供參考。

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