埃塞俄比亞阿拜河特大橋設(shè)計與分析

彌恒， 趙學(xué)燾， 周衛(wèi)， 陳力

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710075； 2.中交一公局集團有限公司， 北京市 100024)

1 工程概況

阿拜河特大橋位于埃塞俄比亞阿姆哈拉州首府巴哈達爾市，為跨徑(100+180+100) m預(yù)應(yīng)力混凝土雙索面矮塔斜拉橋(圖1)，設(shè)計速度為80 km/h，雙向六車道，橋梁寬度為雙幅2×24.7 m，采用H形鋼筋混凝土橋塔，橋址位于青尼羅河源頭塔納湖湖口，建成后將成為該國跨越青尼羅河的重要通道及地標(biāo)建筑。

圖1 橋梁總體布置圖(單位：cm)

橋梁采用AASHTO、CIP及當(dāng)?shù)匾?guī)范進行設(shè)計，考慮到規(guī)范的適用性，風(fēng)力、溫度力、地震力等區(qū)域荷載采用當(dāng)?shù)匾?guī)范確定，橋梁整體計算及混凝土構(gòu)件設(shè)計采用AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，斜拉索采用CIP規(guī)范中的Cable Stays-Recommendations of French Interministerial Commission on Prestressing進行設(shè)計。

2 結(jié)構(gòu)體系擬定

橋梁概念設(shè)計為塔墩固結(jié)、塔梁分離的結(jié)構(gòu)體系，在詳細設(shè)計階段，設(shè)計團隊認(rèn)為概念設(shè)計結(jié)構(gòu)體系存在較大缺陷，在溫度及收縮徐變等效用的作用下，會在索塔內(nèi)引起較大的剪力和彎矩，對索塔受力極為不利；此外，由于橋墩高度低、剛度大，塔墩梁固結(jié)(剛構(gòu))體系會導(dǎo)致主梁應(yīng)力較大；經(jīng)過綜合對比分析，最終擬定結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)、塔墩分離(圖2)，詳見表1。

表1 結(jié)構(gòu)體系對比

圖2 塔梁固結(jié)-塔墩分離結(jié)構(gòu)體系(單位：mm)

3 主梁截面設(shè)計及擬定

橋梁單幅箱梁斷面組成為1.6 m(拉索錨固區(qū))+0.5 m(護欄)+5 m(人行道)+3.5 m(綠色走廊)+0.5 m(護欄)+11.5 m(行車道)+0.5 m(護欄)+1.6 m(拉索錨固區(qū))，總寬度為24.7 m。

箱梁根部梁高5.8 m，跨中梁高3 m，梁高按照1.8次拋物線漸變。箱梁頂板厚為280 mm，跨中處底板厚為300 mm，支點處底板厚為850 mm，跨中段落邊腹板厚為400 mm，中腹板厚為500 mm，支點處邊腹板厚為800 mm，中腹板厚為1 100 mm。箱梁支點斷面及跨中斷面見圖3、4。

圖3 箱梁支點斷面(單位：cm)

圖4 箱梁跨中斷面(單位：cm)

4 材料選用

4.1 混凝土

上部箱梁采用C55混凝土，主塔采用C50混凝土，下部結(jié)構(gòu)采用C40及C45混凝土，均為立方體抗壓強度。

《AASHTO LRFD Bridge Design Specifications》(以下簡稱美國規(guī)范)中，設(shè)計采用的混凝土強度稱為名義強度f′c，采用的是圓柱體抗壓強度，圓柱體試件尺寸通常為φ150 mm×300 mm。文獻[4]中,給出混凝土立方體抗壓強度fcu與混凝土圓柱體抗壓強度f′c的相對關(guān)系為f′c=0.8fcu，在抗彎承載力驗算時，可取混凝土強度設(shè)計值為0.85f′c。

4.2 普通鋼筋

普通鋼筋采用美國規(guī)范中的G420和G300鋼筋，屈服強度分別為420、300 MPa，需要注意的是，美國規(guī)范在進行截面驗算時，普通鋼筋可直接取其屈服強度作為設(shè)計值，進行相應(yīng)的抗彎承載力計算，無須除以類似中國規(guī)范中的材料安全系數(shù)。

4.3 預(yù)應(yīng)力鋼絞線

預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用美國規(guī)范中的Grade270低松弛鋼絞線，極限強度為1 860 MPa，在承載力計算中，與普通鋼筋類似，無須除以材料安全系數(shù)，但應(yīng)按照應(yīng)變協(xié)調(diào)關(guān)系確定鋼束的應(yīng)力。

5 汽車荷載

5.1 美國規(guī)范中的汽車荷載取值

美國規(guī)范中的汽車荷載稱為HL-93荷載，對于整體縱向計算，由以下3種荷載構(gòu)成：

(1) 車輛荷載，前軸重35 kN，中軸和后軸重145 kN，前-中軸軸距4.3 m，中-后軸軸距4.3～9 m，需要考慮沖擊系數(shù)。

(2) 雙軸荷載，共2軸，軸重120 kN，縱向雙軸距為1.2 m，需要考慮沖擊系數(shù)。

(3) 車道荷載，荷載縱向集度為9.3 kN/m，雙軸縱向距離1.2 m，不考慮沖擊系數(shù)。

荷載效應(yīng)應(yīng)取以下規(guī)定的最不利值：

(1) 雙軸荷載與車道荷載同時作用。

(2) 車輛荷載與車道荷載同時作用。

(3) 對于反彎點之間的負(fù)彎矩和內(nèi)墩反力，取2個車輛荷載加車道荷載總效應(yīng)的90%，此時車輛荷載中-后軸的軸距應(yīng)取4.3 m，2個車輛荷載之間的縱向距離為15 m。

5.2 汽車荷載效應(yīng)計算對比

建立有限元模型，進行單車道汽車荷載效應(yīng)計算，結(jié)果見表2。

表2 單車道汽車荷載效應(yīng)

由表2可知：汽車荷載正彎矩計算效應(yīng)美國規(guī)范小于中國規(guī)范，負(fù)彎矩計算效應(yīng)美國規(guī)范大于中國規(guī)范，支點反力基本持平。

5.3 車道橫向折減系數(shù)

美國規(guī)范的橫向車道折減系數(shù)詳見表3，與中國規(guī)范不同，美國規(guī)范在確定橫向車道折減系數(shù)時，人行道也需考慮在行車道的數(shù)目內(nèi)(例如：布載2條行車道，1條人行道，則車道橫向折減系數(shù)需按3條車道考慮，即取值為0.85)。

表3 橫向車道折減系數(shù)取值

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，阿拜河橋共可布載3條行車道，1條人行道(5 m寬專用人行道1條+3.5 m寬城市綠色走廊一條，偏安全計，按照8.5 m寬專用人行道合并考慮)，則可能的布載情況如表4所示。

表4 阿拜河橋布載取值

該橋人行道布載寬度較寬，根據(jù)計算，工況1的布載情況為最不利布載，按此進行設(shè)計計算。

6 荷載效應(yīng)組合

表5列出汽車荷載效應(yīng)為主要活載效應(yīng)時美國、中國規(guī)范的主要荷載效應(yīng)組合系數(shù)對比。

表5 荷載效應(yīng)組合系數(shù)對比

7 混凝土正應(yīng)力限值

按照美國規(guī)范中節(jié)段施工橋梁的規(guī)定進行正應(yīng)力控制，美、中規(guī)范混凝土應(yīng)力限值如表6所示。

表6 混凝土正應(yīng)力限值(節(jié)段施工橋梁)

阿拜河橋為箱梁，按照φw=0.93進行計算，美、中規(guī)范對應(yīng)C55混凝土的應(yīng)力限值如表7所示。

表7 C55混凝土正應(yīng)力限值

由以上分析可見，混凝土應(yīng)力限值方面，美國規(guī)范的要求較為寬松。

8 索塔設(shè)計

該橋采用變截面H形橋塔，塔高25.9 m，索塔橫橋向?qū)挾? m，索塔頂部縱向?qū)挾? m，索塔根部縱橋向?qū)挾? m。根據(jù)CIP規(guī)范，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮一根斜拉索意外斷索的工況，相關(guān)荷載的組合系數(shù)為：1.1恒荷載+1.35二期荷載+0.75活荷載+α拉索索力。α為動力系數(shù)，取值范圍為1.5～2.0，該橋取為2.0。根據(jù)CIP規(guī)范計算結(jié)果，索塔設(shè)計中起控制作用的為斷索工況，需要按此工況進行配筋設(shè)計,結(jié)果如表8所示。

表8 索塔承載能力極限狀態(tài)設(shè)計荷載(最大值)

9 主梁縱向整體計算

主梁采用懸臂對稱施工，每個施工節(jié)段長3.5 m，頂板鋼束采用15-17(根-絲，下同)及15-19兩種型號，底板鋼束采用15-19及15-22兩種型號，采用通用有限元程序建立模型，詳細模擬懸臂施工、體系轉(zhuǎn)換及成橋階段，主梁及索塔采用鐵木辛哥梁單元，考慮剪切變形的作用，拉索采用桁架單元。

9.1 承載能力極限狀態(tài)驗算(ULS)

采用AASHTO LFRD進行作用效應(yīng)及承載能力極限狀態(tài)(ULS)分析及計算，并采用中國規(guī)范進行對比校核，詳細的效應(yīng)及承載力計算結(jié)果見表9。

表9 主梁抗彎承載力驗算 kN·m

由表9可得：對于抗彎承載力，美國規(guī)范的計算結(jié)果較中國規(guī)范大，主要是因為美國規(guī)范的抗彎承載力計算與中國規(guī)范不同，無須除以材料安全系數(shù)，普通鋼筋應(yīng)力直接采用鋼筋屈服強度，預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力采用值基本接近鋼束極限強度，混凝土應(yīng)力采用值為0.85f′c。因此，在承載力計算方面，中國規(guī)范較為保守，而采用美國規(guī)范進行設(shè)計，則較為經(jīng)濟，鋼材及鋼絞線用量更省。

9.2 正常使用極限狀態(tài)驗算(SLS)

選取跨中及墩頂截面位置，進行應(yīng)力分析(表10)。

表10 主梁正應(yīng)力驗算 MPa

由表10可見：美國規(guī)范計算的正截面壓應(yīng)力極值略大于中國規(guī)范，主要原因為美國規(guī)范的溫度梯度作用效應(yīng)較大；在拉應(yīng)力方面，截面均不消壓，且計算結(jié)果接近，原因為荷載組合系數(shù)、溫度梯度效應(yīng)及人群荷載的取值不同，抵消了汽車荷載橫向折減系數(shù)取值不同引起的差異，使兩國規(guī)范拉應(yīng)力計算結(jié)果趨同。

在拉、壓應(yīng)力限值方面，美國規(guī)范的要求均較為寬松，使主梁的材料用量更為節(jié)省，計算結(jié)果詳見表10。

10 斜拉索驗算

該橋采用的斜拉索為滿足相關(guān)試驗規(guī)程的1 860 MPa鍍鋅鋼絞線，1～3號索采用43根D15.2 mm(1×7)，4～9號索采用55根D15.2 mm(1×7)，根據(jù)CIP規(guī)范，斜拉索應(yīng)力限值在正常使用極限狀態(tài)(SLS)應(yīng)小于0.6倍的斜拉索強度，承載能力極限狀態(tài)(ULS)應(yīng)小于0.75倍的斜拉索強度，以中跨內(nèi)索和外索為例，索力極值及規(guī)范限值見表11。

表11 拉索應(yīng)力及規(guī)范限值 MPa

11 材料用量對比

由于美國規(guī)范在承載力計算和應(yīng)力限值方面要求均較中國規(guī)范寬松，該橋基于美國規(guī)范進行了設(shè)計優(yōu)化，取得了較好的經(jīng)濟效益(表12)。由表12可見：該橋的材料用量均低于中國類似跨徑橋梁。

12 結(jié)論和建議

(1) 對于類似該橋的寬幅低墩矮塔斜拉橋，塔梁固結(jié)-塔墩分離體系是較為合適的結(jié)構(gòu)受力體系，不會由于溫度、收縮徐變等效應(yīng)，在塔內(nèi)或梁內(nèi)產(chǎn)生過大內(nèi)力，主梁和索塔受力均勻。

(2) 對于該橋跨徑而言，單車道的 HL-93正彎矩效應(yīng)比中國規(guī)范公路-Ⅰ級小，負(fù)彎矩效應(yīng)比中國規(guī)范公路-Ⅰ級大，支點反力基本持平。

(3) 美國規(guī)范需要考慮人行道對車道橫向折減系數(shù)的影響，對于該橋而言，美國規(guī)范的車道橫向折減更大，結(jié)構(gòu)設(shè)計更加經(jīng)濟。

(4) 根據(jù)CIP規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，斷索工況控制主塔設(shè)計。

(5) 正常使用極限狀態(tài)下，美國規(guī)范的混凝土應(yīng)力限值較為寬松，中國規(guī)范較為保守。

(6) 同等跨徑和結(jié)構(gòu)形式下，采用美國規(guī)范進行矮塔斜拉橋上部設(shè)計時，材料用量較低，經(jīng)濟指標(biāo)較好。