預(yù)應(yīng)力混凝土單跨門式剛架橋設(shè)計研究

歐陽平，林　云，張曉宇

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西　南寧　530029)

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預(yù)應(yīng)力混凝土單跨門式剛架橋設(shè)計研究

歐陽平，林云，張曉宇

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西南寧530029)

預(yù)應(yīng)力混凝土單跨門式剛架橋造型美觀，是中、小跨徑現(xiàn)澆混凝土橋梁的一種常用橋型。文章以某園區(qū)一景觀橋梁為例，對預(yù)應(yīng)力混凝土單跨門式剛架橋的設(shè)計進行了研究。

剛架橋；預(yù)應(yīng)力混凝土；樁基礎(chǔ)；設(shè)計

0　引言

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，大規(guī)模的橋梁建設(shè)對標準化施工要求越來越高，中、小跨徑預(yù)制安裝梁式橋得到空前的廣泛應(yīng)用。同時，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，人們對城市景觀越來越重視，城市橋梁建設(shè)在要求標準化之外，也提出了更多的美觀需求，因此對于城市景觀橋梁尤其是處在公園、風(fēng)景區(qū)等對景觀要求較高的橋梁，越來越多采用結(jié)構(gòu)造型豐富的現(xiàn)澆混凝土橋梁，如拱橋、剛架橋等。門式剛架橋是中、小跨徑橋梁的一種常用橋型，該橋型立面根據(jù)需要可設(shè)計為圓弧形、橢圓形等優(yōu)美的曲線，從而獲得較好的景觀效果。與拱橋相比，門式剛架橋基礎(chǔ)不存在水平推力，對地基的要求相對較低，在地基軟弱地區(qū)具有更強的競爭力。本文以某園區(qū)內(nèi)一景觀橋為例，對預(yù)應(yīng)力混凝土單跨門式剛架橋設(shè)計進行研究。

1　工程概況

某新建校園，依山傍水，風(fēng)景宜人。校園內(nèi)有一山谷溪流匯入山腳下湖內(nèi)，溪

流及湖水是該園區(qū)重點打造的水系景觀。園區(qū)道路跨越該溪流設(shè)置一景觀橋梁(見圖1)，該處水面寬度約10 m，橋面高程119 m，水面高程115 m，橋下要求通行小船，凈空高度3 m。園區(qū)道路寬6 m，以通行小車和人行為主。

圖1　工程平面布置圖

工程地質(zhì)覆蓋層為人工填土和粉質(zhì)黏土，厚度為6～12 m，基巖為中風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

由于水面為人工開挖河床，水面寬只有19 m，因此該橋采用單跨結(jié)構(gòu)形式。方案設(shè)計階段選擇預(yù)制安裝簡支梁橋、現(xiàn)澆混凝土拱橋、現(xiàn)澆混凝土門式剛架橋三種方案進行比較，其中簡支梁橋工程造價最低，但橋梁造型簡單，不符合園區(qū)景觀要求。拱橋和剛架橋造型美觀，都符合園區(qū)景觀要求，兩者相比由于拱橋基礎(chǔ)工程龐大，工程造價較高，因此最終選擇單跨門式剛架橋方案。

單跨門式剛架橋凈跨徑16 m，橋梁全長26 m，橋面總寬6.7 m，橋面凈寬6 m，不設(shè)專用人行道。梁底面設(shè)計為R=3 600 m圓曲線，梁高0.7～1.6 m?；A(chǔ)采用單排樁基礎(chǔ)，樁基直徑1.2 m，承臺厚1.5 m。橋面設(shè)雙向1.5%橫坡，梁頂鋪4～8.5 cm厚混凝土鋪裝和28 cm厚木制橋面板(見圖2)。

該橋施工先立模澆筑臺柱混凝土，然后在原狀地面上填筑土胎，充分壓實后在土胎上澆筑硬化層，再在硬化層上鋪設(shè)模板澆筑主梁混凝土，待橋梁施工完畢后再開挖橋下土胎及人工河道。該施工法相對搭設(shè)支架施工法更為簡便和經(jīng)濟。

以下以該單跨門式剛架橋為例(下文簡稱“本橋”)，分別對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)應(yīng)力設(shè)計、基礎(chǔ)邊界條件對結(jié)構(gòu)受力的影響等幾個方面進行研究。

圖2　門式剛架景觀橋橋型總體布置圖(單位：cm)

2　預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)選擇

過去中、小跨徑門式剛架橋一般按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，主要原因是以前預(yù)應(yīng)力技術(shù)尚未普遍應(yīng)用，需要找專門的施工隊伍進行預(yù)應(yīng)力張拉施工。而預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展至今已成為一種非常普遍的常規(guī)技術(shù)，不存在任何施工難度，因此本橋考慮采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行了對比分析。

工程經(jīng)濟性比較：其中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計，鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度按0.2 mm控制。工程經(jīng)濟性比較結(jié)果如表1所示。

表1　預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性比較表

注：各方案工程數(shù)量相同或接近的構(gòu)件材料用量及工程費用未計入表中進行比較(如橋面鋪裝、護欄等)。

由表1比較結(jié)果可知采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)普通鋼筋用量節(jié)省8.2 t，而預(yù)應(yīng)力鋼筋只增加1.759 t，折算工程造價節(jié)省約2.8萬元。因此對于小跨度現(xiàn)澆混凝土門式剛架橋，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的經(jīng)濟性。

結(jié)構(gòu)耐久性比較：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)A類構(gòu)件設(shè)計不允許出現(xiàn)裂縫，能有效保護鋼筋免遭有害物質(zhì)侵蝕。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是按裂縫寬度控制進行設(shè)計的，使用過程中不可避免會存在裂縫，因此鋼筋容易受到外界有害物質(zhì)的侵蝕。因此預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的結(jié)構(gòu)耐久性。

綜合上述，本橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1結(jié)構(gòu)立面設(shè)計

單跨門式剛架橋立面設(shè)計主要是確定梁底曲線，該曲線決定了主梁的梁高變化，同時也影響外觀視覺效果?？偟膩碚f采用較大的矢跨比曲線效果越顯著，橋梁外觀更接近拱橋，視覺效果更佳。不同矢跨比梁底曲線圖如圖3所示。但另一方面矢跨比越大主梁材料用量也越大，工程造價越高。通過比較分析，選用矢跨比1/20～1/15梁底曲線有較顯著的視覺效果，同時結(jié)構(gòu)受力較為合理，工程經(jīng)濟性較好。本橋梁底曲線取矢跨比1/17.8，圓弧半徑R=3 600 m。

(a)矢跨比1/25

(b)矢跨比1/15

(c)矢跨比1/10

圖3不同矢跨比梁底曲線圖

3.2主梁設(shè)計

由于門式剛架橋跨中彎矩相對簡支梁小，因門式剛架橋的跨中梁高可取較小值，可按1/20～1/25L進行設(shè)計，L為剛架橋的跨度?？缰辛焊叽_定后根據(jù)立面設(shè)計確定的梁底曲線即可確定根部梁高和任意截面梁高。本文所述門式剛架橋跨中梁高取1/22.9L=0.7 m，根部梁高為1.6 m。

主梁截面常用的有實心截面、空心截面和箱形截面。實心截面方便施工但增加了結(jié)構(gòu)自重荷載；箱形截面挖空率較大能最大限度減輕結(jié)構(gòu)自重荷載，但增加了施工的難度；空心截面相對于實心截面能顯著減輕結(jié)構(gòu)自重荷載，雖然挖孔率相對較小，但由于挖孔可采用PVC管等不用拆卸的預(yù)埋管作為模版，因此施工相對簡便。本文所述門式剛架橋設(shè)計采用空心截面，截面頂寬6.7 m，底寬4.0 m，兩側(cè)懸挑翼板各長1.35 m(見圖4)。

圖4　主梁跨中截面圖(單位：cm)

3.3臺柱設(shè)計

臺柱的剛度與主梁的剛度比對剛架結(jié)構(gòu)的受力有較大的影響，因此單跨門式剛架橋的設(shè)計應(yīng)合理選擇臺柱截面高度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。本橋臺柱設(shè)計通過對不同截面高度的對比分析，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析結(jié)果見下頁表2。從分析結(jié)果可知，隨著臺柱截面高度H增大，主梁跨中彎矩逐漸減小，主梁根部及臺柱頂部彎矩逐漸增大。由于臺柱為偏壓構(gòu)件，因此同等截面高度情況下其抗彎承載力要比主梁跨中截面高。根據(jù)各控制截面的承載力情況，當(dāng)臺柱截面高度H=0.7 m時結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布最為合理，故本橋臺柱截面高度取為0.7 m。

表2　不同臺柱截面高度內(nèi)力表

4　預(yù)應(yīng)力設(shè)計

本橋按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計，即在荷載短期效應(yīng)組合最不利工況下混凝土拉應(yīng)力≤0.7 ftk，在長期效應(yīng)最不利組合工況下不出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中ftk為混凝土抗拉強度標準值。根據(jù)上述要求本橋主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束需配置6束8φs15.2鋼絞線鋼束，單排布置，鋼絞線標準強度fpk=1 860 MPa，彈性模量Es=1.95×105MPa，張拉控制應(yīng)力σcon=0.72 fpk=1 339 MPa。臺柱豎向預(yù)應(yīng)力需配置22根JL32精軋螺紋鋼筋，分兩排布置，外側(cè)一排12根，內(nèi)側(cè)一排10根，精軋螺紋鋼筋標準強度fpk=785 MPa，彈性模量Es=2.0×105MPa，張拉控制應(yīng)力σcon=0.8 fpk=628 MPa?？v向、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束均為直線布置，如圖5所示，這樣布置不僅減少了鋼束預(yù)應(yīng)力的磨阻損失，同時也使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更為合理。

圖5　預(yù)應(yīng)力布置圖(單位：cm)

5　基礎(chǔ)邊界條件對結(jié)構(gòu)受力的影響研究

5.1基礎(chǔ)邊界條件模擬

本橋橋臺采用樁基礎(chǔ)，樁土作用參考類似工程設(shè)計經(jīng)驗，將樁基與土體連接邊界條件用等效土彈簧進行模擬，并采用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)計算(見圖6)。土彈簧的剛度根據(jù)土層特性按“m”法進行計算確定，具體如下：

彈簧剛度：Ki=mizihib0

(1)

式中：mi——土彈簧處土層m值；

zi——土彈簧處離地面高度；

hi——土彈簧代表土層厚度；

b0——樁基計算寬度，b0=0.9(d+1)，d為樁基直徑。

圖6　樁基礎(chǔ)土彈簧邊界計算模型圖

5.2基礎(chǔ)邊界條件對結(jié)構(gòu)受力的影響

為考察基礎(chǔ)邊界條件對結(jié)構(gòu)受力的影響，分別取樁長10 m和50 m兩種情況計算不同m取值的控制截面恒載彎矩，計算結(jié)果見表3。

表3　不同基礎(chǔ)邊界條件控制截面彎矩計算結(jié)果表

根據(jù)計算結(jié)果可知，隨著m值增大，主梁跨中彎矩逐漸減小，主梁根部及臺柱頂部彎矩逐漸增大，但無論是樁長10 m還是50 m的情況，彎矩變化均不明顯，也就是說樁基土層m值在規(guī)范取值范圍內(nèi)的變化對單跨門式剛架橋內(nèi)力結(jié)果影響不大，采用“m”計算樁土作用等效土彈簧的剛度是可行的。

6　結(jié)語

單跨預(yù)應(yīng)力混凝土門式剛架橋造型美觀，是中小跨徑現(xiàn)澆混凝土橋梁常用的橋型，本文以某園區(qū)一景觀橋為例對單跨預(yù)應(yīng)力混凝土門式剛架橋設(shè)計進行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)單跨門式剛架橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的經(jīng)濟性和耐久性；

(2)單跨門式剛架橋梁底曲線矢跨比取1/20～1/15具有較好的視覺效果和經(jīng)濟性，同時結(jié)構(gòu)受力較為合理；

(3)臺柱截面高度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大，應(yīng)進行優(yōu)化設(shè)計；

(4)樁基與土的邊界條件模擬對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果有一定影響，有限元計算分析采用“m”計算樁土作用等效土彈簧的剛度是可行的。

[1]周亮亮.某門式剛架橋設(shè)計[J].工程與建設(shè)，2015(2)：197-198.

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Study on Prestressed Concrete Single-span Gantry Rigid Bridge Design

OU Yang-Ping，LIN Yun，ZHANG Xiao-yu

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Single-span prestressed concrete gantry rigid bridge has the beautiful appearance，which is a common bridge type in small and medium span cast-in-situ concrete bridges.Taking a sightseeing bridge in a park as the example，this article studied the design of single-span prestressed concrete gantry rigid bridge.

Rigid bridge；Prestressed concrete；Pile foundation；Design

U448.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.019

1673-4874(2016)05-0071-04

2016-04-20

歐陽平(1973—)，高級工程師，研究方向：橋梁與隧道工程；

林云(1985—)，工程師，碩士研究生，主要從事橋梁工程設(shè)計和研究工作；

張曉宇(1989—)，助理工程師，工程碩士，研究方向：橋梁工程。