石門水庫大橋技術(shù)設(shè)計(jì)

朱力琦，王江龍

(長安大學(xué)公路學(xué)院)

1 工程概述

石門水庫特大橋跨越316國道和石門水庫，橋兩頭接隧道，路線在此處為分離式，上下行相距35m左右。石門水庫是國家級水利風(fēng)景區(qū)，位于漢中市漢臺區(qū)北18km的褒河谷口。年均氣溫14℃，屬溫?zé)岬貐^(qū)。左線全橋長311.8m，里程起止樁號為ZK191+809.6-ZK192+121.4。橋跨布置:27m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋+跨徑262m鋼管混凝土拱橋+22m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。右線全橋長317.8m，里程起止樁號為YK191+819.6～YK192+137.4。橋跨布置:31m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋+跨徑262m鋼管混凝土拱橋+24m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。主橋計(jì)算跨徑為248m，計(jì)算矢高比1/4，拱軸線為m=1.5的懸鏈線。

2 橋梁結(jié)構(gòu)形式

主橋部分，橋道系全寬16m，吊桿橫梁寬20m，拱肋與橋道系相交部位，橋梁全寬21.6m。單幅橋面橫向布置為:2.7m(拱肋)+0.1m+0.5m(護(hù)欄)+15m(行車道)+0.5m(護(hù)欄)+0.1m+2.7m(拱肋);單幅橋采用雙片式拱肋，每片拱肋由4根Φ900 14mm鋼管形成四肢桁架結(jié)構(gòu);拱肋布置在護(hù)欄外側(cè)，這樣不需額外增加橋面寬度。拱肋之間設(shè)置10道橫撐以保證拱肋橫向穩(wěn)定，全拱采用K字型橫撐，橫撐最大水平間距30m。吊桿采用橫向雙吊桿體系，即每道吊桿橫梁上四排吊桿，單幅橋共設(shè)76根吊桿，縱向每10m設(shè)置吊桿，雙吊桿橫向間距0.4m+18.1m+0.4m。吊桿采用OVM.GJ15-12拉索(1860MPa鋼絞線)及配套錨具，單根吊桿安全系數(shù)取4.0。

主橋橋面系采用預(yù)應(yīng)力混凝土吊桿橫梁上設(shè)縱向“T”型行車道梁，行車道梁之間現(xiàn)澆橫向接頭，形成運(yùn)營恒載下，全橋連續(xù)的縱、橫正交梁格體系。行車道梁在一期恒載作用下為簡支梁受力，在二期恒載及活載作用下為多點(diǎn)彈性支承連續(xù)梁受力。行車道梁梁高0.7m，腹板寬0.2m，翼緣寬1m，縱橋向長10m，采用C40混凝土，預(yù)制施工。

單幅橋共設(shè)吊桿橫梁19道。吊桿橫梁總寬20m，與行車道梁固結(jié)，截面為“土”字型，高2.2～2.52m，C50混凝土，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，預(yù)制吊裝施工。單幅橋共設(shè)立柱橫梁4道，橫梁總寬20.1m，與行車道梁固結(jié)，截面為矩形，寬1.5m，高1.5m，C50混凝土，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，預(yù)制吊裝施工。每幅橋在拱肋與行車道梁相交處共設(shè)拱上橫梁2道，其與拱肋固結(jié)，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。拱上橫梁與行車道梁間設(shè)板式橡膠支座，同時(shí)設(shè)2對共4個(gè)橫向限位液壓滑動(dòng)支座，增強(qiáng)對橋道系的橫向約束，同時(shí)不限制橋道系的縱向變位。

立柱高度≥10m，采用Φ1200×14mm鋼管，立柱高度＜10m，采用Φ1000×14mm鋼管。立柱與拱圈交接處焊接，與立柱橫梁間設(shè)置橡膠支座。每幅橋拱土立柱共設(shè)4對，縱向間距10m，橫向間距18.9m，鋼管混凝土立柱采用Q345鋼板，內(nèi)灌注C50混凝土。

單幅橋主墩墩身為雙柱式鋼筋混凝土橋墩，C30棍凝土，柱徑1.8m，柱間距10m，墩高在15～25m之間。為了與引橋合理銜接，墩頂蓋梁采用鋼筋混凝土高低蓋梁。

3 技術(shù)設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)階段，通過選用不同的拱軸線計(jì)算確定了該橋的拱軸線形式及拱肋斷面形式。進(jìn)入技術(shù)設(shè)計(jì)階段后進(jìn)行了如下結(jié)構(gòu)受力分析工作。

3.1 雙肋拱肋間橫向聯(lián)結(jié)系優(yōu)化配置與穩(wěn)定性分析

為尋求最佳的肋間橫聯(lián)位置與數(shù)量，我們選取了6種橫聯(lián)布置形式，對主拱圈在裸拱恒載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，最后選定第6種橫聯(lián)布置形式，即全橋共設(shè)7道桁構(gòu)式橫聯(lián)，其中橋面以上設(shè)5道。為進(jìn)一步驗(yàn)算拱橋的穩(wěn)定性，對施工過程中各階段的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。穩(wěn)定性分析結(jié)果見表1。

表1 施工階段穩(wěn)定性分析

3.2 橫梁驗(yàn)算

全橋共設(shè)置19道吊桿橫梁，配置4束鋼絞線;4道立柱橫梁設(shè)置6束鋼絞線。吊桿橫梁共劃分為20個(gè)梁單元，4束預(yù)應(yīng)力。持久狀況承載能力極限狀態(tài)下，吊桿橫梁正截面抗彎承載力檢算結(jié)果如圖1所示。

圖1中，綠色線為抗力值，黃色線為效應(yīng)值，計(jì)算表明橫梁正截面抗彎承載能力滿足要求。

圖1 主梁抗彎承載能力圖

3.3 施工階段穩(wěn)定檢算

施工階段僅計(jì)算三個(gè)工況，工況一為拱肋與橫撐架設(shè)完畢，拱腳未封鉸時(shí)兩鉸拱;工況二為拱腳封鉸，形成無鉸拱;工況三為立柱、吊桿及橫梁架設(shè)完畢。具體檢算見表2。

表2 施工階段穩(wěn)定驗(yàn)算

由表2知，施工階段設(shè)計(jì)穩(wěn)定系數(shù)與復(fù)核穩(wěn)定系數(shù)差異較大，但設(shè)計(jì)失穩(wěn)模態(tài)與復(fù)核失穩(wěn)模態(tài)一致，可能由于設(shè)計(jì)模型邊界條件與復(fù)核模型不一致造成，需進(jìn)一步核查。

3.4 動(dòng)力檢算

采用有限元軟件Midas建立全橋模型，拱腳及邊立柱墩底均采用固結(jié)，立柱橫梁與立柱之間采用彈性連接模擬支座，一側(cè)邊立柱橫梁與T型縱梁之間僅約束豎向、橫向及縱向線位移，其余立柱橫梁與T型縱梁之間僅約束豎向、橫向線位移;吊桿橫梁與T型縱梁采用剛性連接模擬。全橋動(dòng)力特性檢算見表3、表4。

表3 全橋動(dòng)力特性值

表4 全橋動(dòng)力特性檢算

由表3、表4知，第4、5階設(shè)計(jì)頻率值與復(fù)核值差異較大，且第4、5階設(shè)計(jì)振型與復(fù)核振型發(fā)生順序不一致，需進(jìn)一步校核;其余階次設(shè)計(jì)頻率值與復(fù)核值基本吻合，且各自相應(yīng)振型也一致。

4 結(jié)論

石門大橋技術(shù)設(shè)計(jì)遵循“安全、適用、經(jīng)濟(jì)和有利環(huán)保”的原則，主體結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了因地制宜、方便施工及就地取材等設(shè)計(jì)思想，總體上是可行的。同時(shí)石門大橋技術(shù)設(shè)計(jì)也反映出很多先進(jìn)理念的設(shè)計(jì)，如球形吊桿墊板有利于各股鋼絞線均勻受力;以預(yù)制安裝并通過少量濕接縫連接的橋面系具有整體性好，且可有效避免大面積現(xiàn)澆而產(chǎn)生的收縮徐變裂縫等特色。有些計(jì)算與驗(yàn)算結(jié)果、非主體結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)可進(jìn)一步完善。

[1] 徐次達(dá)，華伯浩.固體力學(xué)有限元理論、方法程序[M].北京:水利電力出版社，1983.

[2] 彭衛(wèi)，陳云峰，杜時(shí)貴.中承式鋼管混凝土拱橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國公路學(xué)報(bào)，1999，12(48):66-69.