連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁設(shè)計(jì)研究

趙 濤,林 木,王國煒

(1.濟(jì)南市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,山東 濟(jì)南 250101;2.山東金衢設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250104)

1 工程概況

本次研究以聊泰黃河特大橋連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁工程為例,該橋梁全長1 226.69 m,橋梁建設(shè)區(qū)域河流主航道水流與線路法線夾角為12.62°,結(jié)合河流實(shí)際情況,橋梁設(shè)計(jì)流量為13 653.62 m3/s,設(shè)計(jì)水位為23.41 m,設(shè)計(jì)橋梁跨度為125.63 m,設(shè)計(jì)河流流速為2.62 m/s。由于橋梁跨度較大,對橋梁跨越能力以及整體剛度要求較高,因此橋梁整體采用連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋式結(jié)構(gòu)。橋梁主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):橋梁設(shè)計(jì)速度為350 km/h,橋梁除主體外其他部件工作年限為15年,比如欄桿、伸縮縫、支座等。由于該工程建設(shè)區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,土層主要包含厚度為8.46 m雜填土、厚度為7.65 m粉質(zhì)黏土、厚度為8.42 m粉質(zhì)砂土,其區(qū)域內(nèi)受不良地質(zhì)作用影響較大,在一定程度上增加了設(shè)計(jì)難度。以下結(jié)合該工程項(xiàng)目實(shí)際情況,對橋梁主梁、拱肋、橫撐、吊桿、支座、主墩、承臺等進(jìn)行設(shè)計(jì),并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求,對設(shè)計(jì)后的橋梁整體力學(xué)性能進(jìn)行檢算。

2 連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁設(shè)計(jì)

根據(jù)該工程實(shí)際情況,橋梁整體結(jié)構(gòu)采用主梁+拱肋+橫撐+吊桿+支座+主墩+承臺結(jié)構(gòu)形式,該連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁分三幅,左右幅橋?qū)?.46 m,中幅橋橋?qū)?8.46 m,采用(121.26+236.49+121.26)m橋式結(jié)構(gòu),橋墩間距為236.49 m,樁中心距為4.55 m,主梁頂板全梁等寬32.62 m。

2.1 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁主梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T型梁,全長1 226.69 m,主梁結(jié)構(gòu)采用箱梁結(jié)構(gòu),箱梁高度范圍為5.41～12.64 m,其中每個(gè)箱梁中支點(diǎn)處梁高度為12.64 m,其余區(qū)域梁高度為5.41 m,箱梁中間長度為136.95 m。箱梁頂寬度為13.64 m,頂板厚度為0.36 m,個(gè)別區(qū)域頂板厚度加厚到0.67 m,此外,中支點(diǎn)處頂板厚度達(dá)到0.85 m[1]。橋梁底按照2.14次拋弧線變化,梁底曲線為圓曲線,拋物線半徑約846.12 m,底板寬度為12.36 m,最長底板寬度為1.65 m,最短底板寬度為0.45 m,平均底板寬度為0.94 m。橋梁兩側(cè)腹板為斜腹板,腹板厚度分為0.45、0.65、0.85 m三種,箱梁腹板斜率為21.65%,橋梁拱肋與橋墩結(jié)合區(qū)域腹板厚度增加到1.23 m,并且中支點(diǎn)處局部腹板厚度加厚到1.36 m。

考慮到該工程規(guī)模較大,屬于大跨度橋梁,對整體的力學(xué)性能、穩(wěn)定性能要求較高,故在橋梁頂板內(nèi)布置單層、雙層預(yù)應(yīng)力索,單層預(yù)應(yīng)力索處頂板厚度為0.56 m,雙層預(yù)應(yīng)力索處頂板厚度為0.68 m[2]。整個(gè)橋梁預(yù)應(yīng)力體系為縱橫豎三向預(yù)應(yīng)力體系,箱梁橫向預(yù)應(yīng)力索采用規(guī)格6-Φ14.62 mm扁錨,各個(gè)橫向預(yù)應(yīng)力索之間的間距為75.55 cm,采用交錯(cuò)一端張拉方式對橋梁橫向預(yù)應(yīng)力拉張,張拉控制力為567.48 kN;箱梁縱向預(yù)應(yīng)力索采用規(guī)格16-Φ16.84 mm扁錨和26-Φ15.24 mm扁錨兩種,各個(gè)縱向預(yù)應(yīng)力索之間的間距為84.65 cm,縱向預(yù)應(yīng)力束為中跨底板束和頂板束以及備用束三種,兩種預(yù)應(yīng)力索均采用兩端張拉,張拉控制力分別為5 462.64、5 134.68 kN[3]。箱梁豎向預(yù)應(yīng)力索采用規(guī)格9-Φ18.75 mm扁錨,各個(gè)豎向預(yù)應(yīng)力索之間的間距為94.26 cm,采用兩端張拉方式對橋梁箱梁鋼筋豎向預(yù)應(yīng)力拉張,預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Φ35精軋螺紋鋼,豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制力設(shè)計(jì)為716.62 kN,豎向預(yù)應(yīng)力筋的抗拉極限強(qiáng)度為964.62 kN,預(yù)應(yīng)力束主要為邊跨底板束以及備用束。

橋梁每個(gè)箱梁的橫隔板數(shù)量為8道,最厚橫隔板厚度為0.56 m,為箱梁中跨跨中處的橫隔板,最薄橫隔板厚度為0.31 m,為橋墩柱頂主梁處橫隔板,每個(gè)橫隔板均設(shè)置過人孔,方便后續(xù)橋梁運(yùn)營階段維修。整個(gè)橋梁共設(shè)置156個(gè)梁段,其中邊跨59個(gè),中跨28個(gè),箱梁與橋墩結(jié)合塊均采用掛籃懸臂澆注。

2.2 拱肋及橫撐設(shè)計(jì)

該橋梁左右各設(shè)置一榀拱肋,拱肋跨度設(shè)計(jì)為240 m,設(shè)計(jì)矢高為45 m,設(shè)計(jì)拱肋橫向中心距為13.65 m,拱肋的矢跨比設(shè)計(jì)為1/3,中軸線呈橢圓弧形[4]。采用規(guī)格為5-Φ846.95 mm鋼筋打造拱肋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),拱肋整體結(jié)構(gòu)主要由壁厚為12.62 mm豎向腹桿與厚度為18.46 mm平聯(lián)板連接組成,其中平聯(lián)板上下板連接采用螺栓,豎向腹板鋼板規(guī)格為Φ540 mm,豎向腹桿與管弦連接處焊接加勁鋼板,該鋼板厚度為12.62 mm,高度為246.85 mm,每片拱肋鋼管橫向中心距為1.62 m,并且每跨拱肋共布置12道橫撐,橫撐為K字撐,橫撐鋼管規(guī)格為Φ540 mm,鋼管厚度為12.62 mm,橫撐間距為23.65 m。

2.3 吊桿及支座設(shè)計(jì)

吊桿采用箱內(nèi)錨固形式,整個(gè)連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁共設(shè)置24組雙吊桿,吊點(diǎn)數(shù)量為24個(gè),雙吊桿之間間距為0.45 m,吊桿布置方向?yàn)轫槝蚍较?每組吊桿中心距設(shè)計(jì)為13.5 m,吊桿規(guī)格為2×13.55Φ15.64 mm,將雙吊桿錨固在橋梁拱肋上平聯(lián)板與主箱梁內(nèi)鋼筋混凝土底座上[5]。為了防止吊桿生銹,在吊桿最外部進(jìn)行油性蠟鍍鋅處理。吊桿抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)為1 755 MPa,在吊桿內(nèi)設(shè)置光纖光柵傳感器以及索力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),方便連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁在后續(xù)運(yùn)用期間對吊桿索力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在橋梁邊墩設(shè)置20 MN摩擦擺減隔震支座,連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁支座墊石采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),整個(gè)噸位設(shè)計(jì)為15 000 kN,鋼筋型號為C35。整個(gè)橋梁支座數(shù)量為56個(gè),支座布置位置為連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁邊支點(diǎn),每個(gè)邊支點(diǎn)橫向設(shè)置2個(gè)20 MN摩擦擺減隔震,20 MN摩擦擺減隔震支座中心橫向間距為5.64 m。橋梁支座與上部結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置伸縮縫,支座伸縮縫采用160型梳形板橋梁伸縮裝置,伸縮量為0～160 mm,起到橋梁減震作用。

2.4 主墩和承臺設(shè)計(jì)

橋梁橋墩采用雙肢薄壁墻式墩,墩柱截面尺寸為14.5×5 m,拐角處設(shè)置半徑0.5 m的圓形倒角;主墩承臺厚度為4.0 m,平面尺寸為19.7×13.2 m;橫樁間距均為5.5 m、縱向樁間距為5.0 m。墩柱尺寸為1.8×1.8 m,柱橫橋向中心距離為4.87 m,墩柱總高度為21.62 m,并在橋墩側(cè)面設(shè)置扣槽,扣槽寬度為180.62 cm,深度為25.46 cm。

過渡墩采用啞鈴型承臺,承臺尺寸為7.6×7.6 m,承臺的厚度范圍為2.56～3.46 m,承臺樁基數(shù)量為24根,樁基直徑為2.62 m,采用梅花狀方式對樁基進(jìn)行布設(shè),縱橋向方向布設(shè)樁基6排,樁基的間距為6.48 m;橫橋向方向布設(shè)樁基5列,樁基的間距為5.46 m。所有樁基按摩擦樁設(shè)計(jì),樁基規(guī)格為12Φ3.26 m,承臺四角以直徑為220.62 cm圓弧倒圓。根據(jù)該工程實(shí)際情況,通過對橋梁主梁、拱肋、橫撐、吊桿、支座、主墩以及承臺設(shè)計(jì),完成了對橋梁設(shè)計(jì)。

3 橋梁檢算

針對上文提出的連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁設(shè)計(jì)方案的可行性,對橋梁力學(xué)性能進(jìn)行檢算,檢算對象主要包括主梁和拱肋。

首先對橋梁主梁進(jìn)行檢算。主梁作為連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁的主要受力部件,相關(guān)規(guī)范要求連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁主梁承載力要大于最大壓應(yīng)力,承載力計(jì)算公式為

(1)

式中:N為連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁主梁強(qiáng)度承載力,MPa;f為主梁抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度,MPa;w為主梁截面面積,m2;a為主梁鋼筋混凝土的套箍指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)從橋梁主梁上設(shè)定8個(gè)測點(diǎn),利用上述公式計(jì)算出各個(gè)測點(diǎn)承載力,并測量出施工階段、主力工況下、主力+附加力工況下各個(gè)測點(diǎn)最大受壓應(yīng)力。

橋梁荷載組合主要分為兩種,一種是施工荷載組合,另一種是運(yùn)營荷載組合,其中施工荷載組合用公式表示如下

U=F+I+C+S

(2)

式中:U為橋梁施工荷載組合;F為橋梁自重,kg;I為橋梁預(yù)應(yīng)力,MPa;C為橋梁混凝土收縮;S為橋梁施工荷載,kN/m2。

橋梁運(yùn)用荷載組合計(jì)算公式為

T=W+I+C+Z+Q

(3)

式中:T為橋梁主力;W為橋梁二期恒載,kN/m;Z為橋梁列車活載;Q為橋梁支座沉降,cm。

實(shí)驗(yàn)中橋梁附加力為120 N,利用上述公式計(jì)算出橋梁荷載,在以上兩種荷載條件下,計(jì)算出橋梁主梁承載力,并使用電子表格對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,具體如表1所示。

表1 連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁主梁承載力驗(yàn)算結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可以看出,該橋梁無論是在施工階段、主力工況下,還是主力+附加力工況下,橋梁主梁承載力均大于最大受壓應(yīng)力,說明該橋梁設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

其次對該橋梁主梁與拱肋進(jìn)行檢算。相關(guān)規(guī)范要求,連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁主梁與拱肋1/4截面撓度最大不能超過25、10 cm,主梁與拱肋的1/2截面撓度最大不能超過16.5、8.5 cm。實(shí)驗(yàn)使用OUFA-AF44測量儀對施工階段中主梁與拱肋截面1/4、1/2處撓度進(jìn)行測量,設(shè)計(jì)施工期間工況7個(gè),使用電子表格對各個(gè)工況下橋梁主梁與拱肋撓度數(shù)據(jù)記錄,具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 橋梁撓度驗(yàn)算結(jié)果

從表2中數(shù)據(jù)可以看出,無論是在何種工況下,該橋梁主梁與拱肋最大撓度均沒有超出規(guī)范要求,此外橋梁拱肋的強(qiáng)度安全系數(shù)為5.62,在橋梁施工期間和運(yùn)營期間,橋梁拱肋應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

由于連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合梁橋具有連續(xù)體系梁橋伸縮縫少、行車平順等特點(diǎn),更加利于高速行車,從用途角度來看,對該橋梁的承載力要求較高。且與連續(xù)梁相比,連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合梁橋減少了造價(jià)較高的大噸位橋梁支座數(shù)量;顯著減輕了預(yù)制構(gòu)件的重量,便于集中制造和運(yùn)輸?shù)跹b,減少了支座養(yǎng)護(hù)和更換的工作量;降低了使用期的維護(hù)費(fèi)用;還能夠有效地防止由于鋼構(gòu)過長而引起溫度作用下次內(nèi)力過大的問題。綜合以上設(shè)計(jì)需求和對設(shè)計(jì)橋梁的驗(yàn)算結(jié)果可知,在兩種荷載條件下,計(jì)算出的橋梁各主梁的承載力和在各工況下的最大承壓力均符合需求,說明本次提出的連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁設(shè)計(jì)方案具有較好的可行性。

雖已進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)算,但在實(shí)際施工過程中,為了減輕托架的負(fù)載,并保證混凝土的澆筑質(zhì)量,空心部分可以分段澆筑,且務(wù)必要確保新老混凝土的結(jié)合質(zhì)量,加強(qiáng)對主梁部分的施工養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)束語

以聊泰黃河特大橋連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁工程作為工程背景,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料以及個(gè)人經(jīng)驗(yàn),對橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,提出了一套連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁設(shè)計(jì)方案,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性,此次研究為連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。