跨越既有道路的現(xiàn)澆橋梁大跨度支撐體系設(shè)計(jì)研究

目前，現(xiàn)澆橋梁下部支撐系統(tǒng)一般采用支架結(jié)構(gòu)，包括碗扣式鋼管支撐架、盤扣式鋼管支撐架等。當(dāng)擬建現(xiàn)澆橋梁與現(xiàn)狀道路相交時(shí)，為保證現(xiàn)有道路的通行，一般需搭設(shè)門洞，下部車輛可從門洞內(nèi)通行，門洞上部支撐擬施工的橋梁結(jié)構(gòu)。但有時(shí)根據(jù)既有道路交通特點(diǎn)，門洞跨度范圍內(nèi)需通過(guò)多車道車輛，這時(shí)門洞設(shè)計(jì)跨度較大，支撐系統(tǒng)會(huì)有較大變形。因此，如何對(duì)該種大跨度現(xiàn)澆橋梁支撐系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其既滿足下部通行要求，又能保證其整體剛度滿足工程需要，是值得研究與分析的。

1 工程概況

天津市環(huán)宇道跨線橋始于富民東道—豐民路交叉口西側(cè)，由西向東，跨越快速路昆侖路后，終點(diǎn)處位于環(huán)宇道與月牙河南路交叉口西側(cè)，全長(zhǎng)642.697m，其中橋梁總長(zhǎng)為333.777m，見圖1。該橋標(biāo)準(zhǔn)斷面為整幅式，橋面寬度24m，橋梁總面積為8 010.648m2。跨越現(xiàn)狀快速昆侖路采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁一跨跨越，跨徑布置為30m+42.897m+35m，西側(cè)引橋采用一聯(lián)4×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，東側(cè)引橋采用一聯(lián)3×35m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。

現(xiàn)狀快速昆侖路為雙向6車道，交通流量較大，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，在兩側(cè)均設(shè)有輔導(dǎo)。施工期間，按照交管部門要求，必須做到快速路不斷行，確保雙向6車道通行。這就必須將快速路范圍內(nèi)的現(xiàn)澆橋梁支撐體系設(shè)計(jì)為大跨度跨越結(jié)構(gòu)，使其既能滿足下部交通車輛通行要求，又能承受上部現(xiàn)澆橋梁的荷載。

圖1 橋位

橋梁在跨越既有昆侖快速路時(shí)，形成三跨一聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，42.897m跨梁高、底板厚度均為二次拋物線變化，腹板厚度呈直線變化。

式中：H為梁高；B為底板厚度；F為腹板厚度。

在支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，應(yīng)對(duì)工程本身、周邊環(huán)境做系統(tǒng)性分析，包括現(xiàn)狀道路頂面高程、擬施工橋梁梁底高程、既有道路車輛通行高度、地基承載力情況，以確定門洞所采用的型鋼組合形式。根據(jù)三車道要求，本工程門洞凈寬度需10.5m，凈高需4.8m。通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀地面標(biāo)高的測(cè)量，在門洞靠近跨端除立柱以外的支撐系統(tǒng)總高度不能超過(guò)1.435m，這里包括橫梁高度、縱梁高度、調(diào)整梁底曲線所用方木高度、底模板厚度等。

2 支撐體系設(shè)計(jì)方案比選

由于支撐體系總高度限制，跨越能力較強(qiáng)且剛度較大的貝雷梁等型鋼材料無(wú)法使用。本工程主要是解決大跨度支撐系統(tǒng)的承載力及變形問(wèn)題，對(duì)其起主要作用的是縱梁的強(qiáng)度及剛度，橫梁對(duì)方案的選擇不起決定性作用。在縱梁的選擇上，排除貝雷梁后，若選用型鋼周轉(zhuǎn)材料，只能在工字鋼與H型鋼中進(jìn)行選擇，目前國(guó)內(nèi)較為常見的最大型號(hào)的工字鋼為I63c型，而H型鋼中所生產(chǎn)的最大規(guī)格為HN700mm×300mm×13 mm×24mm。因此，在支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期，按照縱梁的不同形式選擇了以上兩種方案，而其他構(gòu)件均相同。兩種方案支撐系統(tǒng)由上而下分別為：

1）方案一現(xiàn)澆梁梁底模板+10 cm×15 cm方木+I63c工字鋼梁+雙拼I36b工字鋼梁+φ609mm×12mm鋼管撐+鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)+地基；

2）方案二現(xiàn)澆梁梁底模板+10 cm×15 cm方木+HN700mm×300mm×13mm×24mm型鋼+雙拼I36b工資鋼梁+φ609mm×12mm鋼管撐+鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)+地基。

兩種方案均滿足支撐系統(tǒng)的空間需求，I63c工字鋼相對(duì)于HN700型鋼來(lái)講，剛度稍弱，若取用，則橫橋向布置間距需加密，而橋梁跨中最高點(diǎn)需設(shè)置較高的木楔進(jìn)行墊設(shè)，穩(wěn)定性差；若采用第二種方案，HN700型鋼橫橋向布置間距可適當(dāng)放寬，箱梁跨中最高點(diǎn)與縱梁的凈距要小于第一種方案，墊設(shè)木楔的高度較小，利于方木的穩(wěn)定性。同時(shí)，目前市場(chǎng)上I63c工字鋼供貨較少，不易租賃。經(jīng)過(guò)綜合考慮，在設(shè)計(jì)方案初選上，擬定采用第二種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，見圖2。

圖2 支撐系統(tǒng)布置

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

在各結(jié)構(gòu)構(gòu)件型號(hào)、支撐系統(tǒng)布置方式確定后，需要進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，其方法應(yīng)根據(jù)荷載傳遞路徑、傳遞方式由上至下依次進(jìn)行。具體傳遞路徑為荷載（包括恒荷載和可變荷載）→底模板→方木→HN700型鋼縱梁→橫梁→鋼管支撐→鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)→地基。

3.1 箱梁底板下方木布置間距設(shè)計(jì)

由于箱梁底邊線為拋物線，為保證線型平順，其下部方木應(yīng)沿橫橋向布置，具體布置間距應(yīng)根據(jù)最不利位置即腹板處荷載值進(jìn)行確定，保證底模板的強(qiáng)度、剛度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 縱梁HN700型鋼間距布置

縱梁承受上部方木所傳遞的集中荷載，做為方木下部的支點(diǎn)，其布置間距直接影響方木的計(jì)算跨度。因此，縱梁的間距布置原則是使其上的方木在荷載作用下，強(qiáng)度、剛度滿足相關(guān)規(guī)范要求。同時(shí)，還應(yīng)考慮橋梁斷面腹板、箱室、翼緣板各位置處荷載不均勻的情況，在布置HN700型鋼時(shí)，在箱梁腹板位置應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)加密，箱室、翼緣板位置處間距可適當(dāng)放寬。

3.3 橫梁布置

橫梁間距一般根據(jù)所需跨度，結(jié)合縱梁的剛度情況而定，但本工程已經(jīng)規(guī)定所需跨度。因此，橫梁的位置已經(jīng)確定，需要設(shè)計(jì)的只是其型號(hào)，主要根據(jù)上部縱梁傳遞的集中荷載大小，下部鋼管撐間距來(lái)確定。

3.4 鋼管支撐布置

鋼支撐的布置應(yīng)根據(jù)上部橫梁的選型、下部鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)的斷面情況、配筋情況、地基承載力情況等綜合確定。

通過(guò)上述分析，整體支撐體系的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，各構(gòu)件的布置環(huán)環(huán)相套、互相影響。因此，需要統(tǒng)籌考慮、統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

在對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃后，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗略的對(duì)結(jié)構(gòu)型號(hào)、布置間距等進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算來(lái)復(fù)核各個(gè)構(gòu)件是否滿足強(qiáng)度、剛度的要求，對(duì)于受壓構(gòu)件，還需復(fù)核其穩(wěn)定性。各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型見表1。

表1 支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件統(tǒng)計(jì)

4.1 荷載取值

門洞支撐部分現(xiàn)澆橋梁為變截面，根據(jù)式（1）可以計(jì)算出代表性斷面1-1、2-2（見圖3和圖4）的均布荷載值。

1-1斷面：梁高2.19m，底板厚度0.36m，腹板厚度0.528m，頂板厚度為0.25m。

2-2斷面：梁高1.80m，底板厚度0.22m，腹板厚度0.4m，頂板厚度為0.25m。

圖3 現(xiàn)澆橋梁1-1橫斷面

圖4 現(xiàn)澆橋梁2-2橫斷面

各斷面恒荷載值、可變荷載取值見表2。

表2 荷載值統(tǒng)計(jì)

4.2 建立模型

計(jì)算時(shí)，按照荷載傳遞途徑對(duì)各受力構(gòu)件從上至下分別進(jìn)行計(jì)算，將上部構(gòu)件計(jì)算時(shí)所得到的支座反力反向施加于下部構(gòu)件，使其做為下部構(gòu)件計(jì)算時(shí)的荷載值來(lái)使用。也可以對(duì)整體支撐系統(tǒng)進(jìn)行建模，進(jìn)行整體分析。本工程采用有限元軟件對(duì)整個(gè)支撐系統(tǒng)進(jìn)行模擬對(duì)模型進(jìn)行了適度合理簡(jiǎn)化。其中，底模板以板單元進(jìn)行模擬；方木、HN700型鋼縱梁、雙拼I36b工字鋼橫梁、鋼管支撐等均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。各構(gòu)件的力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 各受力構(gòu)件力學(xué)參數(shù)

板單元與下部方木梁?jiǎn)卧?、方木與HN700縱梁、縱梁與橫梁以及橫梁與鋼管支撐之間均采用彈性連接，在鋼管支撐底部設(shè)置一般支承。有限元模型見圖5。

圖5 整體支撐系統(tǒng)有限元模型

在計(jì)算模板支撐體系各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度及穩(wěn)定性、計(jì)算各構(gòu)件的變形時(shí)應(yīng)采用荷載的基本組合，本工程基本組合中，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取為1.2，可變荷載組合值系數(shù)取為1.4。

由于箱梁荷載不均勻，可根據(jù)腹板位置、箱室位置、翼緣板位置處荷載值，分別在底板單元進(jìn)行施加。荷載特性采用壓力荷載，荷載分布見圖6。

圖6 整體有限元模型荷載布置

4.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算分析，得到各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力值、變形值，見圖7-圖10。

圖7 竹膠板底模應(yīng)力

圖8 竹膠板底模位移等值線

圖9 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力

圖10 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移等值線

各類型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算值、變形計(jì)算值均符合規(guī)范要求。各類鋼構(gòu)件中，變形最大的位置在HN700型鋼的跨中部位，最大變形值為1.2mm。鋼管支撐在上部荷載作用下，樁頂位移約為1mm，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 總結(jié)

通過(guò)環(huán)宇道跨線橋工程實(shí)例可知，對(duì)于跨越既有線路的現(xiàn)澆橋梁施工，一般都需要搭設(shè)大跨度門洞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)交通狀況、交管部門相關(guān)要求、上部荷載情況以及設(shè)計(jì)者能夠利用到的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行統(tǒng)籌考慮、統(tǒng)一設(shè)計(jì)。而對(duì)于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的支撐體系，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度不僅要滿足規(guī)范要求，其變形才是控制整個(gè)支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)荷載的傳遞途徑，由上至下依次傳遞，在計(jì)算各結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，其下部構(gòu)件即為上部構(gòu)件的支承位置，當(dāng)某個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度值或變形值不滿足要求時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整其下部構(gòu)件的布置間距，即減小上部構(gòu)件的計(jì)算跨度，直至計(jì)算結(jié)果符合要求。在結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，盡可能采用整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，若采用單元計(jì)算法，有可能會(huì)忽略結(jié)構(gòu)的整體變形協(xié)調(diào)，計(jì)算結(jié)果往往偏大，在一定程度上增加周轉(zhuǎn)材料的用量。本工程采用有限元整體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，根據(jù)不同部位的不同荷載值按實(shí)際情況進(jìn)行施加，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算值、變形計(jì)算值均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，整體大跨度結(jié)構(gòu)支撐體系安全可靠，滿足交通要求。

[1]JTG/TF 50—2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]DB 29-203—2010，建筑工程模板支撐體系安全技術(shù)規(guī)程[S].