熊治華,張愛軍,劉玉擎
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)
國(guó)內(nèi)二十世紀(jì)七八十年代建設(shè)的渡槽,當(dāng)前很多處于帶病輸水狀態(tài),有些甚至因安全問題需拆除重建[1]。隨著南水北調(diào)西線正式啟動(dòng)、引漢濟(jì)渭等特大型水利工程的逐步實(shí)施[2-3],需建設(shè)一批渡槽等輸水結(jié)構(gòu)物。對(duì)于跨越路線長(zhǎng)的輸水工程,往往周邊伴隨有市政或國(guó)網(wǎng)道路,如何將公路運(yùn)輸與水利需求兩者有機(jī)銜接、統(tǒng)籌規(guī)劃,對(duì)于提高大型基礎(chǔ)設(shè)施的使用率及社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯得尤為重要。德國(guó)2003年建成Elbe渡槽可供船舶通航[4];我國(guó)正在建設(shè)的淠河總干渠渡槽主跨110 m,可供船舶通航,主梁采用鋼桁梁拱組合體系[5],淠河總干渠渡槽建成后將刷新世界通航渡槽記錄;這些工程案例均成功采用了集交通運(yùn)輸和輸水功能二合一的渡槽結(jié)構(gòu)。從渡槽的荷載體量來看,當(dāng)過水?dāng)嗝婧奢d集度達(dá)到100 kN/m時(shí),其產(chǎn)生的靜力荷載效應(yīng)與單線城際鐵路活載基本相當(dāng)。在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中,公路與鐵路橋梁合建在歐洲已經(jīng)發(fā)展近百年,國(guó)內(nèi)公路和鐵路合建橋梁近年來更有新的突破,典型工程如滬通長(zhǎng)江大橋(主跨1092 m)和平潭海峽大橋(主跨532 m)等[6-7]。因此,從眾多的公路和鐵路合建橋梁工程的成功經(jīng)驗(yàn)來看,無(wú)論從技術(shù)理論或工程實(shí)際上槽橋合建均具有可能性。本文將對(duì)大跨度槽橋合建的結(jié)構(gòu)體系與荷載效應(yīng)開展研究。
對(duì)于槽橋合建結(jié)構(gòu),渡槽增加了交通運(yùn)輸功能,而橋梁多了輸水的核心功能。主梁內(nèi)部的流動(dòng)水給結(jié)構(gòu)體系選擇增加了復(fù)雜性,如內(nèi)部需設(shè)置過水板,且需要大體積空間;主梁內(nèi)部水重的荷載效應(yīng)通常與結(jié)構(gòu)自重恒載產(chǎn)生的效應(yīng)相當(dāng),當(dāng)輸水流量非常大時(shí),水重集度產(chǎn)生的效應(yīng)甚至超過結(jié)構(gòu)自重恒載效應(yīng)。在槽橋建成運(yùn)營(yíng)后,偶然極端荷載如地震[8-10]、強(qiáng)風(fēng)引發(fā)的穩(wěn)定問題對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)比一般橋梁更為顯著[11]。目前的渡槽典型病害很多由于混凝土碳化、凍融以及礦物離子侵蝕造成[12-13],由于槽內(nèi)水常年流動(dòng)、沖刷,采用混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),材料耐久性尤為重要。
當(dāng)跨度較小時(shí),渡槽常用的結(jié)構(gòu)形式包括簡(jiǎn)支鋼筋混凝土槽身和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土槽身[14],隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)中的飛速發(fā)展,近年來預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土槽身有取代混凝土槽身的趨勢(shì)。在中等跨徑范圍內(nèi),公路橋梁中常見橋型為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),其在渡槽中也有了工程應(yīng)用,如貴州徐家灣渡槽[15]。對(duì)于大跨徑公路橋梁,結(jié)構(gòu)形式有較多選擇,如:斜拉橋、拱橋、變截面鋼箱梁等。針對(duì)具體場(chǎng)地控制因素如通航、地質(zhì)條件等,結(jié)構(gòu)方案比選側(cè)重點(diǎn)不盡相同。在上述大跨度結(jié)構(gòu)體系中,上承式拱結(jié)構(gòu)在渡槽工程應(yīng)用眾多,如貴州龍場(chǎng)渡槽(主跨200 m)[11]、向家壩灌區(qū)渡槽[16]。在管線輸水、輸氣結(jié)構(gòu)中,斜拉索結(jié)構(gòu)是一種常用結(jié)構(gòu)形式[17-18]。在橋梁工程中,斜拉橋通過多索張拉形成超靜定體系,自身剛度大,抗風(fēng)及穩(wěn)定性能優(yōu)越,在特大跨徑橋梁中屬于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯的橋型?;趪?guó)內(nèi)渡槽已有的成熟建設(shè)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合不同跨徑范圍內(nèi)橋型的綜合比選,重點(diǎn)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建、上承式拱槽橋合建以及斜拉管橋合建進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系分析。
2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁及剛構(gòu)槽橋合建方案概念設(shè)計(jì) 采用預(yù)應(yīng)力混凝土的矩形和U型渡槽目前在水利行業(yè)已經(jīng)有大量的工程應(yīng)用。對(duì)于跨徑在50~120 m范圍內(nèi)的槽橋合建結(jié)構(gòu),預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁具有可設(shè)置過水板、施工工藝成熟等特點(diǎn),在此跨徑范圍內(nèi)成為首選截面。通過后張拉法在箱室頂、底、腹板設(shè)置預(yù)應(yīng)力,可滿足槽橋合建的功能需求。與普通公路橋梁不同的是,在橋面頂板上,為了減小外界溫度影響,保證冬季輸水的穩(wěn)定性[19],需設(shè)置保溫層。目前較為常用的是XPS板,其力學(xué)性能優(yōu)異、成本低,不僅在水利行業(yè)有應(yīng)用,在多年凍土道路工程中,也可采用XPS板進(jìn)行保溫,以減小路基下的凍土融化[20]。另外,在公路橋梁中,預(yù)應(yīng)力或連續(xù)梁總體梁高的擬定主要是從結(jié)構(gòu)受力與經(jīng)濟(jì)性出發(fā)來考慮。但在渡槽中,由于輸水的需求,梁高的擬定必須考慮輸水流量,同時(shí)要保留箱梁內(nèi)部一定的空間以承受偶然的大流量,這就決定了槽橋合建的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)梁高擬定首先要滿足輸水需求,同時(shí)要兼顧結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)性的因素。當(dāng)墩高較小時(shí),宜優(yōu)先采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu),避免在溫度力作用下低矮墩產(chǎn)生的過大自內(nèi)力。
以下通過一座主跨100 m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建工程概念設(shè)計(jì)對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析,總體布置如圖1所示。槽橋總長(zhǎng)210 m,跨徑組成為55 m+100 m+55 m,縱坡8‰,設(shè)計(jì)流量20 m3/s,過水?dāng)嗝娓?.5 m。上部結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,橋面寬9.5m,預(yù)應(yīng)力體系采用后張法,頂板、腹板、底板分別配置預(yù)應(yīng)力鋼束??缰辛焊? m,0號(hào)塊梁高7 m。腹板由跨中50 cm漸變至墩頂處80 cm,變化段在箱梁外側(cè)過渡,過水板厚度為30 cm,頂板設(shè)置xps保溫板。兩主墩采用空心薄壁墩,高度分別為68 m和66 m。
圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建橋型圖(單位:cm)
圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建結(jié)構(gòu)典型橫斷面(單位:cm)
結(jié)構(gòu)計(jì)算采用CSI Bridge軟件建立空間桿系有限元模型,汽車荷載按公路橋梁通用規(guī)范雙車道公路-Ⅰ級(jí)考慮,槽內(nèi)水重按照均布荷載加載。因本文側(cè)重于槽橋合建概念設(shè)計(jì),荷載組合作用采用承載能力極限狀態(tài)時(shí)的基本組合[21],其中在設(shè)計(jì)流量下,水荷載集度按照分項(xiàng)系數(shù)1.4計(jì)入,當(dāng)按照偶然加大流量計(jì)算時(shí),超出設(shè)計(jì)流量部分按照偶然荷載計(jì)入分項(xiàng)系數(shù)0.75,下文均遵照此原則并簡(jiǎn)稱為荷載組合。
如圖3(a)所示,在上部結(jié)構(gòu)中0#塊恒載占總彎矩組合的72%,其余荷載效應(yīng)排序從大到小為水重、交通活載、溫度。這表明在100 m主跨中,預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建結(jié)構(gòu)的上部箱梁抗力將大部分用于抵抗主梁恒載產(chǎn)生的彎矩,交通活載對(duì)上部結(jié)構(gòu)影響并不顯著。從圖3(b)可知,下部墩柱彎矩由恒載和水重共同控制,且水重占比更大,此外溫度效應(yīng)對(duì)于墩柱彎矩影響達(dá)24%,接近恒載產(chǎn)生的效應(yīng)。
圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋合建結(jié)構(gòu)主梁、墩底荷載產(chǎn)生的彎矩份額
因溫度效應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)槽橋墩柱有顯著影響,進(jìn)一步分析溫度效應(yīng)與下部墩高的關(guān)系,圖4為墩高變化與其溫度效應(yīng)所占總組合效應(yīng)的份額關(guān)系示意圖。由圖4可知,當(dāng)墩高從68 m降到38 m時(shí),溫度效應(yīng)對(duì)于矮墩受力極為不利,如本例中墩高為38 m時(shí),溫度荷載效應(yīng)已經(jīng)超過恒載和活載效應(yīng)總和。對(duì)于這種情況,采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案顯然更為合理。
圖4 墩高變化與溫度效應(yīng)的關(guān)系示意圖
2.2 上承式鋼管混凝土拱槽橋合建方案概念設(shè)計(jì) 上承式拱橋在渡槽及公路和鐵路合建橋梁中有廣泛的應(yīng)用,其施工方法與工藝非常成熟[22]。因此,對(duì)于120~250 m跨徑范圍的槽橋合建,推薦優(yōu)先考慮上承式拱橋,其主拱截面形式可選用圓鋼管混凝土截面、矩形鋼管混凝土截面,在流量特別大的方案中,主拱肋可選用桁式鋼管混凝土截面。拱上槽橋采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支、橋面連續(xù)的方案,4~5孔可設(shè)置一道橋面伸縮縫,保證行車舒適性與橋面耐久性。本文以一座主跨160 m上承式鋼管混凝土拱槽橋合建結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析,見圖5所示。
圖5 上承式拱槽橋合建橋型圖(單位:cm)
槽橋主跨長(zhǎng)160 m,縱坡8‰,設(shè)計(jì)流量20 m3/s。上部結(jié)構(gòu)采用雙幅14 m預(yù)制箱梁,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支橋面連續(xù)。拱截面采用如圖6所示啞鈴型鋼管混凝土截面,總高為3.0 m,單管管徑為1.2 m,壁厚20 mm。矢高為32 m,拱曲線采用懸鏈線,拱腳采用固結(jié)體系。拱上立柱均采用鋼管混凝土,管徑為1.2 m,壁厚16 mm,立柱橫撐與拱肋橫撐均采用0.8 m鋼管。在概念設(shè)計(jì)之初,為了優(yōu)化主拱肋受力,采用等效單肢鋼管混凝土拱肋對(duì)懸鏈線參數(shù)m從2.1~2.5進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,圖7反映了隨著m從2.1增大到2.5,拱腳處彎矩值增大77%,L/4(L為拱橋計(jì)算跨徑)處彎矩值增大40%,故選定m=2.1。箱梁內(nèi)部過水?dāng)嗝娣譃樽笥覂删€,橋面寬度為11.5 m,公路荷載等級(jí)按雙車道公路-I級(jí)考慮,箱梁其余細(xì)節(jié)構(gòu)造與2.1節(jié)中類似。
圖6 上承式拱槽橋合建結(jié)構(gòu)典型橫斷面(單位:cm)
圖7 拱軸線參數(shù)m與彎矩關(guān)系(單位:kN/m)
管中混凝土收縮、徐變采用降溫方式施加。水集度、交通活載、恒載等作用產(chǎn)生的軸力與彎矩效應(yīng)在關(guān)鍵截面處所占份額比例分別如圖8(a)—圖8(d)所示,從圖中可見,拱腳處軸力與彎矩主要受結(jié)構(gòu)恒載控制,而到了L/4(L為計(jì)算跨徑)和拱頂處水集度和交通活載產(chǎn)生的合計(jì)效應(yīng)已經(jīng)超過了結(jié)構(gòu)恒載。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)拱肋來說,由于水重和車輛荷載均屬于活載,其在L/4拱到拱頂區(qū)域內(nèi),由活荷載產(chǎn)生的局部應(yīng)力幅效應(yīng)明顯,在節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)更要注意疲勞問題。
圖8 上承式拱槽橋合建荷載效應(yīng)份額
在荷載組合作用下,拱腳、L/4拱、拱頂鋼管和管內(nèi)混凝土最大應(yīng)力情況列于表1中,結(jié)果表明主拱肋強(qiáng)度儲(chǔ)備充足。拱整體穩(wěn)定性如圖9所示,整體面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)為6.89,面外穩(wěn)定系數(shù)為7.83,均大于公路拱橋規(guī)范限值4.0。在交通活載下,拱肋正負(fù)最大撓度出現(xiàn)在L/4附近,正負(fù)最大撓度總和為3L/10 000,遠(yuǎn)小于規(guī)范限值L/1000。在水集度荷載下,其撓度為0.022 m??傮w來說,啞鈴型主拱肋剛度大,強(qiáng)度、整體穩(wěn)定均能滿足槽橋合建需求。施工可采用纜索吊裝,主拱合攏前空管截面較高,應(yīng)對(duì)纜索吊裝系統(tǒng)以及扣索索力進(jìn)行全程監(jiān)控與動(dòng)態(tài)調(diào)整,以滿足合攏線形要求,同時(shí)確保施工過程中拱肋穩(wěn)定性,管內(nèi)混凝土灌注宜遵循先下后上、對(duì)稱灌注的原則。
表1 荷載組合作用下控制截面應(yīng)力 (單位:MPa,+為受拉,-為受壓)
圖9 上承式拱槽橋整體失穩(wěn)模態(tài)
2.3 斜拉管橋合建方案概念設(shè)計(jì) 在我國(guó)城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、輸水建筑物承擔(dān)輸水流量增大的背景下,相較于其他索結(jié)構(gòu),大跨徑斜拉橋剛度更大[23],非常適宜于大跨度管-橋合建。通過第1節(jié)介紹,公路和鐵路合建橋在結(jié)構(gòu)體系上與槽橋合建有相似之處。對(duì)于公路和鐵路合建橋梁,斜拉橋是目前主要的橋型方案,鋼桁梁由于自身剛度大,節(jié)段易于標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn),是最為常用的主梁形式。對(duì)于輸水管橋合建,其活載特點(diǎn)同樣具有荷載集度重,變形控制嚴(yán)格等特點(diǎn)。因此,推薦鋼桁梁截面斜拉橋?yàn)榇罂缍容斔?橋合建的推薦結(jié)構(gòu)體系。需說明的是,管橋輸水在截面形式上雖與渡槽不同,但體現(xiàn)在橋梁中的靜力荷載效應(yīng)卻是一致的,故本文將斜拉管橋合建也統(tǒng)一至槽橋合建中,本文2.4節(jié)提出的輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)也印證了該特點(diǎn)。
以一座跨徑組成為168 m+276 m+168 m鋼桁梁斜拉槽橋合建概念設(shè)計(jì)為例,來說明斜拉索結(jié)構(gòu)體系在槽橋合建結(jié)構(gòu)中的特點(diǎn)。橋型布置如圖10所示,鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為12 m,桁高12.5 m。主桁如圖11采用斜率為2∶1傾斜布置,上下弦桿尺寸為寬1.2 m高1.3 m。板厚18~24 mm。上層為公路交通橋面系,寬度為28.7 m;下層為輸水管橋面系,寬度為18 m;上下層結(jié)構(gòu)面板均采用正交異性鋼橋面板。輸水管徑為DN3000,設(shè)計(jì)水流量為25 m3/s。輸水橋面系結(jié)構(gòu)主體由縱橫梁體系構(gòu)成,橫梁高2 m,板厚16~24 mm,縱梁高1.5 m,腹板厚20 mm。正交異性鋼橋面板板厚16 mm,U肋板厚10 mm。公路交通橋面設(shè)計(jì)為雙向四車道,荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí),兩側(cè)設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道。公路橋面系橫梁高1.3~1.5 m,中縱梁高1.6 m,邊縱梁高1.0 m。索塔采用鉆石型,總高152 m;索塔-拉索錨固體系采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力。全橋采用半漂浮約束體系。
圖10 斜拉管橋合建結(jié)構(gòu)橋型圖(單位:m)
圖11 斜拉管橋合建典型橫斷面(單位:cm)
通過桿系有限元計(jì)算成橋狀態(tài)后的內(nèi)力,圖12為斜拉槽橋在水荷載下的變形。斜拉槽橋在水荷載下的最大撓度為:23.5 cm,在交通活載作用下,正負(fù)撓度合計(jì)為14.6 cm,參考公路和鐵路合建的蕪湖長(zhǎng)江大橋中跨L/550撓度控制,其變形滿足要求。上、下弦桿的應(yīng)力在荷載組合效應(yīng)下如圖13所示,可知上弦最大應(yīng)力為144 MPa,下弦最大應(yīng)力為138 MPa,均有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備。
圖12 水荷載下的主梁變形
圖13 荷載組合效應(yīng)下上、下弦桿應(yīng)力(單位:MPa)
槽橋成橋索力如圖14所示,在拉索及其錨固系統(tǒng)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí),與鋼管混凝土拱橋活載效應(yīng)明顯類似,需關(guān)注由于交通活載或管內(nèi)水重變化引起的應(yīng)力幅,避免過大的應(yīng)力幅帶來的疲勞開裂問題。
圖14 槽橋合建拉索成橋索力示意圖
2.4 輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù) 在鋼-混組合橋梁中,作者提出了鋼-混組合橋梁的活載結(jié)構(gòu)效率系數(shù)LLSI[24],在本文中,為了綜合體現(xiàn)槽內(nèi)水重、交通活載與結(jié)構(gòu)總體剛度之間的相對(duì)關(guān)系,將組合橋梁活載結(jié)構(gòu)效率系數(shù)概念引入到槽橋合建結(jié)構(gòu)中。鑒于LLSI原本的物理含義,在槽橋合建中,將其定義為輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)LLSIaq,其形式變換為式(1):
式(2)中 Δ為水和交通活載共同引起的主跨最大位移,單位為m。式(3)中W為槽內(nèi)水的集度,單位為kN/m。對(duì)于本節(jié)中討論的三種典型大跨度槽橋合建結(jié)構(gòu),其輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)列于表2。需要說明的是,為了統(tǒng)一參數(shù)便于比較,在表2的LLSIaq欄中交通活載均按照2車道公路I級(jí)考慮;LL?SIaq-W欄中均不計(jì)入交通活載,僅考慮水集度荷載,為了反映各種結(jié)構(gòu)體系的輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù),加入了通航渡槽數(shù)據(jù)[5]。從表2中可明顯發(fā)現(xiàn),隨著跨徑增大,槽橋合建輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)明顯下降,超過160 m后下降尤為明顯。通航渡槽須考慮輪船在槽內(nèi)航行的特殊需求,其主梁無(wú)論從用鋼量還是剛度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通公路鋼橋需求,其一階整體穩(wěn)定系數(shù)達(dá)65.9[5],表中輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)更反映了其特殊性。通過輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)分析可知,在結(jié)構(gòu)確定狀況下,水重與交通活載共同決定結(jié)構(gòu)的響應(yīng),在特殊情況下,可以控制交通活載的通行,確保結(jié)構(gòu)最大能力輸水,提高輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù),這對(duì)于大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)來說非常有效;在一般情況下,輸水和交通活載兩種功能可同時(shí)發(fā)揮,具備較強(qiáng)的靈活性。與此同時(shí),輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)不僅可用于公路交通活載的評(píng)價(jià),也適用于通航渡槽的結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)。
表2 槽橋合建結(jié)構(gòu)體系的輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù) (單位:kN/m2)
槽橋合建結(jié)構(gòu)第一功能定位為輸水,同時(shí)兼顧交通運(yùn)輸。因此,在特殊情況下,如加大流量時(shí)可以采用交通管制的措施(雙向通行變?yōu)閱蜗蛲ㄐ校┫拗平煌ɑ钶d以保證總體結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。目前渡槽結(jié)構(gòu)重要性是依據(jù)水流量的大小而定,然而大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)由于跨徑增大,恒載、交通活載、槽內(nèi)水共同控制其結(jié)構(gòu)安全。特別是在地震、風(fēng)荷載等特殊偶然極端荷載作用下,跨徑大小對(duì)于結(jié)構(gòu)總體力學(xué)響應(yīng)起到?jīng)Q定性作用。因此,在概念設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮水流量的影響,也要考慮跨徑的影響。參照公路大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),當(dāng)跨徑大于150 m時(shí),槽橋合建結(jié)構(gòu)重要性建議按照公路A類特殊橋梁考慮,即結(jié)構(gòu)重要性等級(jí)為最高,抗震概念設(shè)計(jì)時(shí)采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。對(duì)于跨徑超過150 m的槽橋合建結(jié)構(gòu),其在施工階段的穩(wěn)定性推薦參考公路橋梁相關(guān)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)槽橋合建結(jié)構(gòu)主跨跨徑超過120 m時(shí),鑒于合建結(jié)構(gòu)投資大、社會(huì)影響顯著,建議主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限按照100年考慮,水利行業(yè)規(guī)范驗(yàn)算時(shí)按照不低于2級(jí)建筑物考慮。
通過前述分析,槽橋合建結(jié)構(gòu)主跨在50~120 m跨徑范圍以內(nèi)時(shí),建議采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或剛構(gòu);當(dāng)跨徑范圍在120~250 m時(shí),推薦采用鋼管混凝土拱槽橋合建結(jié)構(gòu)體系;當(dāng)跨徑大于250 m時(shí)推薦采用斜拉管橋合建。大跨徑槽橋合建的主跨跨徑與輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)LLSIaq關(guān)系如圖15所示。
圖15 槽橋合建推薦的結(jié)構(gòu)體系與輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)關(guān)系示意
槽橋合建結(jié)構(gòu)中,槽中水在極端荷載如地震作用下,產(chǎn)生的晃動(dòng)和內(nèi)壁沖擊會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的局部及整體都帶來很大的附加響應(yīng),特別是當(dāng)水的流量或跨徑很大時(shí),地震效應(yīng)使槽橋受損風(fēng)險(xiǎn)大大增加。因此,在強(qiáng)震區(qū)大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需重點(diǎn)考慮內(nèi)部的流-固耦合效應(yīng)及抗震措施。當(dāng)前,槽內(nèi)水的流-固耦合效應(yīng)有兩種主要的計(jì)算方法:
(1)采用流體力學(xué)或離散單元方法單獨(dú)模擬水,槽身部分采用固體力學(xué)方法模擬為殼或?qū)嶓w單元[25],這種計(jì)算方法可以精確描述槽身與水接觸部分承受的荷載效應(yīng),特別是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)承受瞬時(shí)沖擊荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力,對(duì)于潛在的開裂區(qū)域可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè);但與此同時(shí),由于渡槽結(jié)構(gòu)屬于大型土木類結(jié)構(gòu),其幾何尺寸大,大規(guī)模的流-固耦合計(jì)算加之固體結(jié)構(gòu)部分的彈塑性分析,這對(duì)計(jì)算設(shè)備要求很高,需要專業(yè)的服務(wù)器來運(yùn)算;
(2)采用附加質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)來模擬流-固耦合效應(yīng),典型模型如Housner模型[26],這種方法是將水體理想的看做兩部分組成,一部分為產(chǎn)生沖擊效應(yīng)的水體,另一部分為產(chǎn)生晃動(dòng)效應(yīng)的水體,兩種水體的荷載效應(yīng)構(gòu)成了流-固耦合效應(yīng)。這種方法具有物理意義簡(jiǎn)單,易于土木結(jié)構(gòu)桿系分析的優(yōu)點(diǎn),主要可計(jì)算流-固耦合效應(yīng)對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)總體的力學(xué)響應(yīng)的影響。顯然,這種方法對(duì)于槽身局部的受力分析有局限性。
鑒于以上兩種分析方法的各自特點(diǎn),在槽橋合建地震效應(yīng)分析中,總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用附加質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)計(jì)算,槽身局部沖擊效應(yīng)可采用流體力學(xué)方法模擬。
本文對(duì)大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)分析和參數(shù)化計(jì)算,對(duì)槽橋合建結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵控制荷載效應(yīng)進(jìn)行了討論,并對(duì)成橋狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估,闡述了槽橋合建結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及控制性因素。主要結(jié)論如下:
(1)當(dāng)跨徑范圍在50~120 m時(shí),推薦采用預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)或連續(xù)梁槽橋合建結(jié)構(gòu)。墩高較矮時(shí)宜優(yōu)先選擇連續(xù)梁,當(dāng)主墩高度或者相對(duì)剛度變化較大時(shí),預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)中溫度效應(yīng)不利于矮墩受力;恒載對(duì)于預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)上部設(shè)計(jì)是控制荷載,因要保證水利合理的過水?dāng)嗝?,箱梁梁高設(shè)計(jì)方法與公路橋梁有顯著差別,優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)自重對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意義重大。
(2)上承式拱槽橋合建結(jié)構(gòu)推薦跨徑為120~250 m;根據(jù)輸水流量大小,拱肋可采用啞鈴型或桁式鋼管混凝土,經(jīng)過優(yōu)化的拱軸線形可滿足合建結(jié)構(gòu)的性能需求;上部槽身推薦采用簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。當(dāng)跨徑超過250 m時(shí),輸水管橋可采用斜拉索結(jié)構(gòu)與公路橋合建,鋼桁梁作為主梁具有剛度大,下層布置輸水橋面,上層布置公路交通橋面。采用鋼結(jié)構(gòu)主梁的大跨徑槽橋合建結(jié)構(gòu),由于水荷載和交通活載疊加,應(yīng)力幅比普通公路橋梁大,在節(jié)點(diǎn)等細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。
(3)在槽橋合建結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí),可利用輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行比選優(yōu)化,輸水結(jié)構(gòu)效率系數(shù)宏觀上反映了槽橋合建結(jié)構(gòu)的剛度。同時(shí),基于輸水流量和槽橋跨徑的綜合考慮,本文提出了大跨度槽橋合建的結(jié)構(gòu)重要性及劃分標(biāo)準(zhǔn),在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、抗震計(jì)算中,推薦采用綜合性的重要性系數(shù)。槽橋合建結(jié)構(gòu)的功能定位為輸水為主、兼顧交通?;谶@一原則,在一般正常情況下,輸水與交通功能均可同時(shí)運(yùn)行;在特殊情況下,可采取限制交通,保障輸水的方案,保證槽橋合建結(jié)構(gòu)安全。