貴陽火石坡大橋曲線剛構(gòu)連續(xù)梁設(shè)計

朱立鋒

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

貴陽火石坡大橋曲線剛構(gòu)連續(xù)梁設(shè)計

朱立鋒

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

以主跨176 m的貴陽火石坡大橋工程實例，介紹了大跨曲線剛構(gòu)連續(xù)梁的構(gòu)造、預(yù)應(yīng)力體系及橋墩基礎(chǔ)設(shè)計。通過空間桿系有限元模型計算，驗證了橋梁受力性能，提出大跨剛構(gòu)連續(xù)曲線梁懸臂澆筑時整體重心橫向偏心產(chǎn)生較大恒載扭矩，需要采取偏心措施以減小橋墩和基礎(chǔ)橫向彎矩；通過FEA實體有限元模型，分析了彎、剪、扭耦合效應(yīng)引起的截面上下緣左右正應(yīng)力差和左右腹板剪應(yīng)力差，并提出應(yīng)對措施，為類似橋梁設(shè)計提供借鑒。

大跨曲線剛構(gòu)連續(xù)梁設(shè)計；有限元模型；彎、剪、扭耦合效應(yīng)；正應(yīng)力；剪應(yīng)力

1 工程概況

現(xiàn)狀國內(nèi)彎橋大部分以城市立交小半徑匝道橋為主，設(shè)計、施工和試驗等研究也主要基于一次落架的匝道橋梁。隨著山區(qū)城市如貴陽、重慶等地區(qū)市政道路建設(shè)，受制于道路平面線形及地形，大跨曲線橋有增多的趨勢，同時因連續(xù)剛構(gòu)橋的造價及養(yǎng)護(hù)優(yōu)勢，往往成為大跨曲線橋的主選橋型。

貴陽市北京東路延伸段（貴陽東北城市干道）二期工程中的火石坡大橋，采用了98 m+176 m+98 m剛構(gòu)連續(xù)梁橋，見圖1、圖2，兩個中墩一個為連續(xù)梁活動墩，一個為剛構(gòu)墩，其左幅最小曲線半徑為992 m，主跨平面圓心角為10.2°。調(diào)研現(xiàn)有大跨曲線剛構(gòu)的研究資料，相關(guān)論研究背景的橋梁規(guī)模主跨均在140 m以下，且多為連續(xù)剛構(gòu)橋。本文依托火石坡大橋，對大跨徑曲線剛構(gòu)連續(xù)梁橋受力特點進(jìn)行分析，為此類橋梁的設(shè)計提供有益的參考和借鑒。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：主線為城市快速路。

（2）設(shè)計車速：主線60 km/h。

（3）橋梁橫斷面：左右幅相同，0.5 m（防撞護(hù)欄）+12 m（機(jī)動車道）+2.5 m（人行道）=15 m；

（4）設(shè)計荷載：汽車荷載，城-A級；人群荷載按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ11-2011）采用。

（5）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)?shù)氐牡卣鸹玖叶葹?度，地震動峰值加速度為0.05 g；火石坡大橋按照基本烈度為7度考慮；地震動峰值加速度采用0.1 g；抗震設(shè)防分類為乙類；抗震設(shè)計方法為A類。

（6）結(jié)構(gòu)環(huán)境類別：為Ⅰ類。

3 橋型方案選擇

本橋南北向，平面位于圓曲線上（左幅R=992 m，右幅R=1 200 m），上跨貴陽火車東站林城1～5號隧道群，圓形平曲線不適合拱橋、懸索橋方案。立面上橋頭兩側(cè)均為山坡，南面較陡，北面稍緩，坡腳距離約240 m。采用最小主跨176 m跨越鐵路隧道群后，1號中墩位于北面山坡上，2號中墩位于山谷平地中。據(jù)此地形，最適合的橋型為獨塔斜拉橋，但因山區(qū)養(yǎng)護(hù)困難，且平面曲線斜拉橋技術(shù)難度大，造價較高，最終選擇性價比高的剛構(gòu)橋型方案?？紤]到橋位處基巖為薄至中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r泥巖互層，橋位下山坡上的覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層較薄，下挖10 m左右即可到基巖面，扣除承臺高度，北面山坡上的1號中墩為5 m高的矮墩，放置活動支座。同時，為提高曲線橋梁整橋剛度，南面2號中墩采用剛構(gòu)獨柱薄壁墩。最后依據(jù)合理邊中跨比確定火石坡大橋主橋總體布置為98 m+ 176 m+98 m三跨剛構(gòu)連續(xù)曲線梁。

4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 主梁構(gòu)造

本橋分幅布置，每幅橋?qū)捑鶠?5 m，單幅采用單箱單室直腹板斷面，其中箱寬8.0 m，兩側(cè)翼緣板懸臂寬3.5 m（含防撞墻外包0.15 m）。箱梁根部梁高11.0 m，跨中及邊跨端部梁高4.0 m，箱梁梁高變化采用1.6次拋物線，支點梁高和中跨跨徑比為1/16，跨中梁高和中跨跨徑比為1/44。

圖1 立面布置圖（單位：m）

圖2 主橋平面布置圖（單位：m）

主橋箱梁采用懸臂現(xiàn)澆施工，箱梁分段縱向?qū)ΨQ，縱向分段為8.85 m（邊跨現(xiàn)澆段）+2.0 m（邊跨合龍段）+6×4.5 m+6×4 m＋5×3.5 m+4×3.0 m（21個懸澆段）+13.0 m（0’#塊）＋4×3.0 m+5× 3.5 m+6×4 m+6×4.5 m（21個懸澆段）+2.0 m（中跨合龍段）+6×4.5 m+6×4 m+5×3.5 m+4×3.0 m（21個懸澆段）+13.0 m（0#塊）+4×3.0 m+5×3.5 m+ 6×4 m+6×4.5 m（21個懸澆段）+2.0 m（邊跨合龍段）+8.85 m（邊跨現(xiàn)澆段），邊跨現(xiàn)澆段采用支架施工。箱梁在1號中支點設(shè)橫隔梁1道，厚3.5 m；2號中墩為剛構(gòu)固結(jié)墩，箱梁在與橋墩壁對應(yīng)處設(shè)2道1.0 m厚橫隔；邊跨支點設(shè)橫隔梁1道，厚1.7 m，所有橫隔均預(yù)留過人孔。邊墩附近箱梁端支點附近底板設(shè)置了Φ0.8 m的進(jìn)人孔。

0#塊、1#至3#梁段腹板厚度采用110 cm，4#梁段為過渡段，5#至8#梁段腹板厚度采用100 cm，9#梁段為過渡段，10#至14#梁段腹板厚度采用85 cm，15#梁段為過渡段，16#至18#梁段腹板厚度采用70 cm，19#梁段為過渡段，20#至21#梁段腹板厚度采用50 cm，梁端現(xiàn)澆段近橫梁處腹板厚度采用70 cm。箱梁底板厚度變化采用1.6次拋物線，由箱梁根部140 cm漸變到跨中35 cm；箱梁頂板厚采用30 cm。箱梁橫坡由腹板高度調(diào)整，底板保持水平，頂板橫向設(shè)置1.5%的單向橫坡。

1號、2號中墩均考慮了橫向75 cm偏心構(gòu)造措施。1號中墩、2號中墩、跨中箱梁斷面見圖3～圖5。

圖3 1號中墩斷面（單位：cm）

圖4 2號中墩斷面（單位：cm）

圖5 跨中斷面（單位：cm）

圖6 2號剛構(gòu)墩截面（單位：cm）

4.2 預(yù)應(yīng)力體系

結(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件控制，箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Φs15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，錨固體系為群錨體系，預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋采用Φ32精軋螺紋粗鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=930 MPa。箱梁腹板束，頂、底板縱向束全部采用Φs15.2-12、15高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，均采用兩端張拉錨具。頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用Φs15.2-3高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，兩端均采用張拉端錨具，交錯單端張拉。預(yù)應(yīng)力管道采用配套塑料波紋管，采用真空輔助壓漿工藝灌漿。

豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋布置于腹板內(nèi)，采用可二次張拉的Φs15.20-4鋼絞線（梁高大于6 m）、Φ32精軋螺紋粗鋼筋（梁高小于6 m），單根張拉力為673 kN，豎向管道采用內(nèi)徑45 mm的無縫鋼管，在頂板上進(jìn)行單端張拉。豎向、橫向預(yù)應(yīng)力筋滯后兩個節(jié)段張拉。

箱梁設(shè)置了懸澆階段頂板及合攏段底板備用束，備用束可在堵管等特殊情況下使用。箱梁預(yù)留了體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，用于調(diào)整箱梁后期運(yùn)營階段收縮徐變過度下?lián)?。體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)預(yù)留錨固塊、轉(zhuǎn)向塊、轉(zhuǎn)向?qū)Ч艿葮?gòu)造。

4.3 主墩基礎(chǔ)

1號中墩采用矩形實心橋墩，2號剛構(gòu)墩采用矩形單肢薄壁橋墩。本橋為大跨預(yù)應(yīng)力懸臂澆筑彎橋，其上部結(jié)構(gòu)在長懸臂時重心橫向偏離支點，造成恒載下向圓弧內(nèi)側(cè)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，該扭矩方向與小跨徑一次落架彎梁橋相反，使得下部基礎(chǔ)承受較大的橫向彎矩。為使恒載下下部結(jié)構(gòu)受力均勻，1號中墩通過兩個支座中心向平曲線圓形方向偏心抵消恒載橫向彎矩，2號剛構(gòu)墩通過剛構(gòu)墩一側(cè)壁厚增加調(diào)整橋墩截面形心以抵消該橫向彎矩，群樁基礎(chǔ)則通過群樁中心整體偏心抵消恒載橫向彎矩。2號剛構(gòu)墩截面見圖6。

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 受力特性

本橋?qū)儆谄矫鎴A心角較大的剛構(gòu)連續(xù)曲線梁，總體受力上有兩個主要特點，設(shè)計時需要分析其效應(yīng)并采取針對性的措施。

特點1：根據(jù)總體受力體系，本橋剛構(gòu)連續(xù)梁的主梁彎矩介于連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)之間，跨中彎矩比連續(xù)梁大，支點彎矩比連續(xù)剛構(gòu)小[1]。

特點2：本橋為懸臂澆筑曲線梁，除汽車偏載扭矩外，懸澆階段主梁重心橫向偏離支點會產(chǎn)生的較大的恒載扭矩，該項荷載會累計至成橋階段，導(dǎo)致左右腹板剪力差異較大，彎、剪、扭耦合作用對橋梁的內(nèi)力、應(yīng)力的分布有一定影響，故上下部結(jié)構(gòu)均需要考慮該項作用效應(yīng)。

5.2 總體靜力分析

采用MADIS軟件CIVIL模塊建立空間桿系模型進(jìn)行橋梁總體靜力驗算，按施工步驟劃分施工階段和運(yùn)營階段進(jìn)行計算，按規(guī)范[2]作用組合要求，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)截面強(qiáng)度驗算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)抗裂、撓度及應(yīng)力驗算、施工短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力驗算[3]，見圖7。

圖7 桿系模型離散圖

空間桿系計算結(jié)果表明：在施工過程中，主梁上緣出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力為15.4 MPa，最大拉應(yīng)力為0.7 MPa，施工階段混凝土應(yīng)力滿足要求；在短期效應(yīng)組合下，主梁上緣最小壓應(yīng)力為0.5 MPa，下緣最小壓應(yīng)力1.0 MPa，最小主拉應(yīng)力1.08 MPa（未計入豎向預(yù)應(yīng)力），抗裂驗算滿足要求；在標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下，主梁上、下緣最大壓應(yīng)力為16.9 MPa，鋼絞線最大拉應(yīng)力1 180 MPa，混凝土和鋼絞線的應(yīng)力滿足要求；主梁活載下最大撓度0.06 m，僅為橋梁跨度的1/2 933，剛度滿足要求。

最大扭矩（70897.0 kNm）和對應(yīng)剪力（74 435.0 kN）、最大剪力（922 74.0 kN）均出現(xiàn)在Pm1連續(xù)中墩支點，按規(guī)范[3]進(jìn)行抗剪、扭承載力和抗剪承載力驗算，其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

在空間桿系模型基礎(chǔ)上，分別計算了Pm1連續(xù)中墩支座和2號剛構(gòu)墩采取支點橫向偏心措施前后的支反力和橋墩內(nèi)力，結(jié)果見表1?；A(chǔ)采取偏心措施后1號墩兩個支座反力比較均勻，2號墩橫向彎矩較大減少，取得很好的效果。對于大跨徑懸澆曲線剛構(gòu)橋，采取支點橫向偏心措施以減小基礎(chǔ)橫向彎矩是有必要的，但應(yīng)注意懸澆曲線橋的調(diào)偏心方向為朝平面曲線圓心方向。

表1 恒載支反力和橋墩內(nèi)力對比表

5.3 彎、剪、扭耦合分析

如前所述，剛構(gòu)連續(xù)曲線梁承受較大扭矩，該扭矩使箱型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由扭轉(zhuǎn)、翹曲和畸變[4]，上述作用產(chǎn)生的法向應(yīng)力、剪應(yīng)力會導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)腹板的正應(yīng)力和剪應(yīng)力差，同時會導(dǎo)致施工過程中左右兩側(cè)橫向位移差。為了分析上述影響，采用MADIS軟件FEA模塊建立三維實體模型，對主梁彎、剪、扭耦合作用進(jìn)行分析，模型考慮了施工過程，見圖8。

圖8 FEA實體模型透視圖

對成橋階段的計算結(jié)果進(jìn)行整理，成橋階段主梁恒載扭矩49 800 kNm。圖9為0號段端部截面正應(yīng)力。由圖9可見，靠近平曲線圓心側(cè)腹板頂緣壓應(yīng)力12.3 MPa、底緣壓應(yīng)力7.8 MPa，另一側(cè)腹板頂緣壓應(yīng)力11.8 MPa、底緣壓應(yīng)力8.2 MPa。統(tǒng)計全橋各節(jié)段斷面正應(yīng)力情況，由于偏向平曲線圓心的扭矩作用，靠近平曲線圓心側(cè)腹板頂緣壓應(yīng)力比遠(yuǎn)離側(cè)大，底緣壓應(yīng)力則小，應(yīng)力差不超過0.5 MPa，該項應(yīng)力差占比較小，常規(guī)左右對稱配置預(yù)應(yīng)力鋼束對其可控，精細(xì)設(shè)計的話可以根據(jù)此規(guī)律采用左右非對稱配束，本橋為方便施工，采用對稱配束，正應(yīng)力考慮一定富裕。

圖9 最大懸臂階段0號段端部截面正應(yīng)力（單位：MPa）

圖10為0號段端部截面腹板豎向剪應(yīng)力，因扭的效應(yīng)導(dǎo)致的左右腹板剪應(yīng)力差不明顯，靠近平曲線圓心側(cè)腹板剪應(yīng)力略大。為了進(jìn)一步分析該項效應(yīng)，在實體模型上將該扭矩進(jìn)行純扭工況加載，圖11為該工況下腹板剪應(yīng)力分布情況，腹板剪應(yīng)力為0.35～0.4 MPa之間，其方向在靠近平曲線圓心側(cè)的腹板內(nèi)與剪力一致，在遠(yuǎn)離圓心側(cè)的腹板內(nèi)與剪力相反。采用圣.維南扭轉(zhuǎn)公式τ=M/Ω，（Ω為箱梁薄壁中線所圍面積的兩倍）[4]，算得自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ=0.32 MPa，此數(shù)值與有限元結(jié)果相差很小，由于本橋支點附近腹板尺寸較厚，左右腹板剪應(yīng)力差主要來自于自由扭轉(zhuǎn)項，翹曲剪應(yīng)力占比很小。因存在扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力疊加效應(yīng)，本橋?qū)Ω拱骞拷钣兴訌?qiáng)，在滿足規(guī)范[3]對剪扭構(gòu)造配筋率要求基礎(chǔ)上，將箍筋與、底板外緣橫向鋼筋焊接，以有效抵抗扭轉(zhuǎn)作用。

圖10 成橋階段0號段端部截面豎向剪應(yīng)力（單位：MPa）

圖11 恒載扭矩純扭工況下0號段端部腹板剪應(yīng)力分布（單位：MPa）

6 結(jié)語

本文以貴陽火石坡大橋工程實例，介紹了大跨曲線剛構(gòu)連續(xù)梁構(gòu)造、預(yù)應(yīng)力體系及橋墩基礎(chǔ)設(shè)計，通過空間桿系有限元模型計算，驗算了橋梁抗裂性和強(qiáng)度，說明本橋設(shè)計滿足規(guī)范[3]要求；通過FEA實體有限元模型，分析了大跨曲線剛構(gòu)連續(xù)梁彎、剪、扭耦合效應(yīng)，并提出應(yīng)對措施，為類似橋梁設(shè)計提供借鑒。本文的主要結(jié)論如下：

（1）大跨剛構(gòu)連續(xù)曲線梁懸臂澆筑時整體重心橫向偏心產(chǎn)生較大恒載扭矩， 需要采取偏心措施以減小橋墩和基礎(chǔ)橫向彎矩，使支座受力均勻，同時注意該偏心調(diào)整應(yīng)朝平面曲線圓心方向。

（2）大跨剛構(gòu)連續(xù)曲線梁彎、剪、扭耦合作用引起截面上下緣左右正應(yīng)力差，左右腹板剪應(yīng)力差。對于本橋（平面10.2°圓心角）而言，正應(yīng)力差小于0.5 MPa，占比較小，常規(guī)對稱配置預(yù)應(yīng)力鋼束對其可控，但配束時須考慮一定富裕度；或者根據(jù)實體有限元計算結(jié)果采用左右非對稱精細(xì)配束。

（3）大跨剛構(gòu)連續(xù)曲線梁彎、剪、扭耦合作用引起截面左右腹板剪應(yīng)力差，設(shè)計時應(yīng)充分計算因扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力疊加效應(yīng)，加強(qiáng)抗剪和抗斜裂縫設(shè)計；對于本橋而言，剪應(yīng)力差約0.38 MPa，該值主要來自于自由扭轉(zhuǎn)項，可以采用自由扭轉(zhuǎn)簡化公式預(yù)估剪應(yīng)力差值，為設(shè)計提供依據(jù)。

[1]王文濤.剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2]JTG D60-2015,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[3]JTG D62－2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[4]范立礎(chǔ).橋梁工程（上冊）[M].北京:人民交通出版社,2008.

U448.23

B

1009-7716（2017）08-0085-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.026

2017-05-08

朱立鋒（1985-），男，浙江紹興人，工程師，從事市政橋梁設(shè)計及研究工作。