大跨徑曲線鋼箱梁空間體系分析

王 亮

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司,北京 100176)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,人口規(guī)模不斷增加,城市交通建設(shè)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng),城市與城市之間的溝通更加緊密,人員與物資的流通更為頻繁。因此,公路交通和城市交通在此基礎(chǔ)上得到了快速發(fā)展,平面交通往往不能滿足現(xiàn)實(shí)和發(fā)展的需求,交通逐漸往空間、樞紐形式發(fā)展,大規(guī)模城市立交和互通樞紐成為必然選擇的建造形式。城市立交和互通樞紐設(shè)計(jì)建造主要以橋梁結(jié)構(gòu)形式為主,由于環(huán)境條件的制約,橋梁結(jié)構(gòu)往往需要跨越既有道路、鐵路和水系等各種障礙物,道路線形也是多為平面曲線。橋梁結(jié)構(gòu)需要適應(yīng)道路平面曲線,預(yù)制裝配式橋梁為直線預(yù)制,在曲線橋的布設(shè)上存在一定的困難;現(xiàn)澆橋梁可以適應(yīng)各種線形,但是現(xiàn)澆橋梁往往需要占用較多的橋下空間資源,需要較長(zhǎng)的施工工期,對(duì)于曲線橋梁和節(jié)點(diǎn)工程也不適用。鋼箱梁橋以其結(jié)構(gòu)輕盈、適應(yīng)各種曲線線形、施工工期短、占用道路資源少等優(yōu)點(diǎn),成為曲線橋梁和節(jié)點(diǎn)工程橋梁結(jié)構(gòu)普遍選擇的結(jié)構(gòu)形式[1-2]。

針對(duì)公路和城市道路工程,鋼橋一般作為混凝土橋梁的有效補(bǔ)充。鋼橋往往采用鋼箱梁橋和鋼混組合梁橋,主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):

1)需要跨越既有道路等構(gòu)造物的大跨徑位置,一般跨徑大于50 m;2)采用混凝土橋梁高受限制的位置,鋼箱梁可以有效減小梁高和道路縱坡;3)對(duì)于施工工期有一定要求的位置,鋼橋可以有效減少工期;4)地震設(shè)防烈度較高的位置,鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量可以有效減小,以減小地震水平力。

1 工程概況

廈門翔安隧道進(jìn)出口接線工程(西濱互通提升改造)是拓展廈門城市發(fā)展空間,構(gòu)建海灣型城市的需要,是完善翔安區(qū)路網(wǎng)格局,提升道路通行能力的需要,是緩解進(jìn)出島壓力的需要。本項(xiàng)目C1匝道橋跨越翔安大道、翔安西路、地鐵4號(hào)線、E匝道以及還原路,跨越位置采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式?？缭较璋参髀窐蛄嚎鐝綖?4 m,跨越地鐵4號(hào)線跨徑為68 m,橋梁立面如圖1所示。道路平曲線半徑為R=145 m,緩和曲線參數(shù)為A=85.147 m,橋梁寬10 m。

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下:

道路等級(jí):一級(jí)公路;設(shè)計(jì)速度:40 km/h;設(shè)計(jì)荷載:汽車荷載,公路-Ⅰ級(jí)(城-A級(jí)校核);地震動(dòng)峰值加速度系數(shù):0.15g;抗震設(shè)防烈度:7度;橋梁抗震設(shè)防分類為B類,抗震措施等級(jí)為三級(jí),抗震設(shè)計(jì)方法為1類。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用Q420鋼材,下部結(jié)構(gòu)橋墩墩身采用C40混凝土,橋墩基礎(chǔ)采用C30混凝土,鋼材和混凝土材料技術(shù)特性見(jiàn)表1。

表1 橋梁材料特性表

2 橋梁整體方案比選

針對(duì)橋梁所處地形地貌情況,結(jié)合橋梁所跨越的道路情況,按以下原則進(jìn)行擬定橋梁設(shè)計(jì)方案:

1)遵循總體規(guī)劃和道路交通規(guī)劃,充分重視用地規(guī)劃、周邊道路的交通組織,滿足規(guī)劃的功能要求。2)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、美觀、施工快捷等角度制定方案。3)橋梁結(jié)構(gòu)在滿足使用功能的前提下,方案的選擇應(yīng)因地制宜、簡(jiǎn)潔美觀,做到規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化,以期方便施工,縮短工期,降低工程造價(jià)。4)針對(duì)橋面伸縮縫及橋面排水系統(tǒng)等細(xì)節(jié)部位進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),保證運(yùn)營(yíng)階段行車的平順和安全。5)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案要注重景觀協(xié)調(diào),主梁和橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與既有橋梁和環(huán)境相適應(yīng)。6)秉承綠色道路建設(shè)理念,結(jié)合橋梁所在區(qū)域的資源、生態(tài)環(huán)境,以資源利用最佳、能源消耗最小、污染排放最少、技術(shù)先進(jìn)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在此原則的指導(dǎo)下,橋梁結(jié)構(gòu)擬采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式,鋼箱梁結(jié)構(gòu)輕盈、施工方便、節(jié)能高效,相比混凝土橋梁具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

橋梁方案采用四種方案進(jìn)行研究分析比選,分別是方案一54 m和68 m跨徑簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)、方案二(54+48+68)m連續(xù)結(jié)構(gòu)、方案三(54+48+68+48)m連續(xù)結(jié)構(gòu)、方案四(54+48+68+48)m連續(xù)剛接墩結(jié)構(gòu)形式。

針對(duì)以上四個(gè)方案的跨中正彎矩、支點(diǎn)負(fù)彎矩和扭矩進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果見(jiàn)表2,繪制成圖見(jiàn)圖2,圖3。

表2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力比選表 kN·m

從表2,圖2可以看出,簡(jiǎn)支梁跨中彎矩最大。由方案一調(diào)整為方案二增加48 m中跨后,54 m跨跨中彎矩減少約11%,68 m跨跨中彎矩減少23%,但是方案二存在的問(wèn)題是邊跨68 m,中跨48 m,邊中跨比例不協(xié)調(diào)。因此,考慮給方案二增加一個(gè)邊跨,為方案三,調(diào)整68 m跨彎矩,調(diào)整后,方案三相對(duì)于方案二68 m跨跨中彎矩減少23%,支點(diǎn)負(fù)彎矩減少5.5%。方案四相對(duì)于方案三增加了墩梁固接,從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出,墩梁固接沒(méi)有顯著改變連續(xù)梁的受力狀態(tài)。

從表2,圖3可以看出,簡(jiǎn)支梁跨中扭矩最大。方案二相對(duì)于方案一扭矩減少21%,方案三相對(duì)于方案二扭矩減少12%,方案四相對(duì)于方案三扭矩減少23%。因此可以判斷,連續(xù)梁相對(duì)于簡(jiǎn)支梁抗扭性能改善很多,固結(jié)體系相對(duì)于連續(xù)體系抗扭性能也有明顯的改善。

從彎矩和扭矩以上兩個(gè)方面進(jìn)行分析,墩梁固接體系不會(huì)明顯改變連續(xù)體系豎彎方向結(jié)構(gòu)受力,但是明顯改善了結(jié)構(gòu)的抗扭性能,而且從構(gòu)造上可以顯著增加橋梁的穩(wěn)定性和安全儲(chǔ)備。因此,對(duì)于此種大跨徑曲線梁橋,采用連續(xù)體系,輔以墩梁固接構(gòu)造是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)構(gòu)抗傾覆分析

自2007年以來(lái),國(guó)內(nèi)一些橋梁尤其是寬度較窄的匝道橋發(fā)生了橫橋向傾覆事故,造成了財(cái)產(chǎn)和生命的損失。從這些事故可以發(fā)現(xiàn),傾覆垮塌的橋梁結(jié)構(gòu)為整體垮塌,未出現(xiàn)主梁斷裂等強(qiáng)度破壞,破壞為穩(wěn)定性問(wèn)題。事故的基本特征為:

1)橋梁均采用整體式箱形截面,多為匝道橋,橋?qū)捿^窄。2)橋梁結(jié)構(gòu)形式多為鋼箱梁,鋼箱梁結(jié)構(gòu)自重相對(duì)于混凝土橋梁更輕,抗傾覆力矩更小。3)橋臺(tái)或過(guò)渡墩支座間距偏小,墩柱采用了獨(dú)柱單支撐設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)多為連續(xù)體系直線梁橋或曲線梁橋。4)車輛載重為設(shè)計(jì)荷載的2倍～4倍,遠(yuǎn)超汽車設(shè)計(jì)荷載,重載車輛靠外側(cè)邊緣行駛,甚至并行在外側(cè)停車駐留。

橋梁結(jié)構(gòu)的橫向傾覆穩(wěn)定性問(wèn)題與橋梁結(jié)構(gòu)的體系和支撐布置具有直接的關(guān)系,尤其是曲線鋼箱梁橋抗傾覆特性尤為復(fù)雜[3-5]。

本項(xiàng)目對(duì)以上擬定的四種橋梁方案進(jìn)行抗傾覆分析,以確定最優(yōu)的橋梁體系和支撐體系。

整體式箱梁常規(guī)支座間距約為橋?qū)挼?/3,本橋橋?qū)?0.0 m,支座間距取3.0 m,經(jīng)計(jì)算,各方案橋梁抗傾覆安全系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 支座間距3.0 m對(duì)應(yīng)傾覆穩(wěn)定系數(shù)

從表3中可以看出,針對(duì)該大跨徑小半徑曲線鋼箱梁橋按常規(guī)支座間距抗傾覆安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求;方案一簡(jiǎn)支體系橋梁抗傾覆安全系數(shù)最小,不足1.0,因此說(shuō)明曲線鋼結(jié)構(gòu)橋梁不宜采用簡(jiǎn)支體系結(jié)構(gòu);改為連續(xù)體系后,抗傾覆安全系數(shù)逐漸增大,針對(duì)方案三和方案四,采用連續(xù)體系和固結(jié)體系抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)基本一致。

因此,將鋼箱梁支座間距增大為5.0 m,經(jīng)計(jì)算,各方案橋梁抗傾覆安全系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 支座間距5.0 m對(duì)應(yīng)傾覆穩(wěn)定系數(shù)

從表4中可以看出,支座間距增大到5 m后,抗傾覆安全系數(shù)增加較多,除簡(jiǎn)支方案不滿足規(guī)范要求外,其余連續(xù)結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求。因此針對(duì)大跨徑小半徑鋼箱梁橋支座間距建議不小于1/2橋?qū)挕?/p>

4 結(jié)構(gòu)抗震分析

橋梁抗震設(shè)計(jì)分兩階段,分別為E1和E2,一般設(shè)計(jì)原則如下:

1)地震水平與橋梁上部結(jié)構(gòu)重量呈線性關(guān)系,上部結(jié)構(gòu)宜選用結(jié)構(gòu)自重輕的結(jié)構(gòu)形式,鋼箱梁結(jié)構(gòu)相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)重量顯著降低,宜優(yōu)先選用。

2)保證橋墩的統(tǒng)一設(shè)計(jì)狀態(tài),比如統(tǒng)一按彈性設(shè)計(jì)或者延性設(shè)計(jì),盡量采用彈性設(shè)計(jì)。

3)如橋梁進(jìn)入塑性,充分考慮橋梁的延性設(shè)計(jì),塑性鉸區(qū)應(yīng)保證箍筋的體積配箍率,以保證能力保護(hù)構(gòu)件的抗剪能力。

4)橋梁支座是上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間重要的傳力構(gòu)件,直接承擔(dān)地震水平力,設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)核算支座承載力[6]。

根據(jù)橋位的勘察資料表明,擬建場(chǎng)地?zé)o活動(dòng)斷裂通過(guò),根據(jù)JTG B02—2013公路工程抗震規(guī)范及GB 18306—2015中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖,擬建場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.15g,反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震分組為第三組。

本項(xiàng)目橋梁抗震設(shè)防分類采用B類,抗震措施采用三級(jí)措施等級(jí),抗震設(shè)計(jì)方法采用1類。

采用Midas有限元模型建立C1匝道橋有限元模型,如圖4所示。

根據(jù)建立的有限元模型,地震作用方向以聯(lián)端連線為基準(zhǔn)設(shè)置,進(jìn)行計(jì)算E1地震作用下的承載力驗(yàn)算和E2地震作用下能力保護(hù)構(gòu)件驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算,E1地震作用下橋墩縱橋向彎矩圖如圖5所示。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn),固結(jié)墩處橋墩縱橋向彎矩最大,從設(shè)計(jì)合理和經(jīng)濟(jì)性考慮,固結(jié)墩采用雙排并置主筋,其余橋墩配筋采用單排主筋,經(jīng)計(jì)算,橋墩承載力滿足規(guī)范要求,見(jiàn)表5。

表5 E1地震作用下橋墩承載力

E2地震作用下首先考慮采用延性設(shè)計(jì)理念,墩梁固結(jié)處產(chǎn)生塑性鉸。首先分析橋墩的彎矩曲率曲線,橋墩配置一排鋼筋和兩排鋼筋的彎矩曲率曲線分別如圖6,圖7所示。

橋墩配置兩排鋼筋,極限彎矩為32 319 kN·m,屈服彎矩為40 225 kN·m,塑性鉸區(qū)剪力為4 469 kN;橋墩配置1排鋼筋,極限彎矩為22 207 kN·m,屈服彎矩為25 318 kN·m,塑性鉸區(qū)剪力為2 813 kN。因此,從理論分析,橋墩配筋越多,塑性鉸區(qū)剪力越大,能力保護(hù)構(gòu)件越不容易計(jì)算通過(guò)。根據(jù)規(guī)范要求,在E2地震作用下,當(dāng)結(jié)構(gòu)未進(jìn)入塑性工作范圍時(shí),橋梁墩柱的剪力設(shè)計(jì)值、橋梁基礎(chǔ)和蓋梁的內(nèi)力設(shè)計(jì)值可用E2地震作用的計(jì)算結(jié)果。經(jīng)計(jì)算,E2地震作用下橋墩彎矩為25 845 kN·m,剪力為547 kN。E2地震作用下橋墩承載力見(jiàn)表6。

表6 E2地震作用下橋墩承載力

經(jīng)計(jì)算,在E2地震作用下橋墩配置兩排主筋橋墩強(qiáng)度滿足規(guī)范要求,不會(huì)發(fā)生屈曲,產(chǎn)生塑性鉸,能力保護(hù)構(gòu)件計(jì)算橋墩剪力可采用E2作用下橋墩剪力547 kN,僅為產(chǎn)生塑性鉸時(shí)剪力的20%,能力保護(hù)構(gòu)件計(jì)算通過(guò)。

支座是影響橋梁抗震計(jì)算承載力的重要構(gòu)件。根據(jù)規(guī)范要求,如橋梁固定支座水平抗震能力不滿足規(guī)定時(shí),應(yīng)通過(guò)計(jì)算設(shè)置連接橋梁梁體和墩柱間的剪力鍵,由剪力鍵承受支座所受的地震水平力[7]。本項(xiàng)目橋梁支座采用盆式支座,盆式支座水平承載力僅為豎向承載力的10%,無(wú)法滿足抗震水平承載力要求,因此設(shè)置抗震錨栓,抗震錨栓采用雙肢槽鋼。支座抗震計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 地震作用支座位移計(jì)算

經(jīng)計(jì)算E2地震水平力為2 341 kN,固定支座水平抗力為1 000 kN,該聯(lián)錨栓抗力為3 835 kN,聯(lián)合抗力為5 035 kN,滿足要求。

5 結(jié)論

1)針對(duì)大跨徑曲線匝道橋,鑒于鋼箱梁結(jié)構(gòu)自重輕、抗扭剛度大、施工速度快等特點(diǎn),宜優(yōu)先選用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

2)對(duì)于橋梁體系的選擇,簡(jiǎn)支體系橋梁跨中彎矩最大、扭矩大,曲線鋼箱梁橋不宜選用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。連續(xù)橋梁體系能顯著降低跨中彎矩和扭矩,宜優(yōu)先選用連續(xù)體系橋梁。同時(shí),根據(jù)橋梁縱坡、曲線半徑等要求,亦可選用固結(jié)體系,固結(jié)體系受力與連續(xù)體系相比變化不大,但是能顯著提高結(jié)構(gòu)安全的冗余度。

3)鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)自重較小、抗傾覆力矩小,其穩(wěn)定性應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注,曲線鋼結(jié)構(gòu)橋梁支座間距建議按不小于1/2橋?qū)挷贾?需要時(shí)可適當(dāng)增加配重。

4)鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于自重輕,對(duì)于抗震是有利的?？拐痼w系的選擇,如按延性理念設(shè)計(jì),導(dǎo)致箍筋配筋過(guò)多,主筋配筋偏少,延性體系產(chǎn)生的塑性鉸無(wú)法恢復(fù),同時(shí)固定墩與其他墩最終狀態(tài)不一致,因此建議根據(jù)支座體系情況,不同的墩采用不同的配筋形式,保證E2狀態(tài)下不進(jìn)入塑性,均處于彈性穩(wěn)定狀態(tài)。盆式支座水平承載力一般不能滿足抗震的要求,需要增加豎向抗震錨栓補(bǔ)充承擔(dān)地震水平力。