趙 濤,林 木,王國煒

(1.濟(jì)南市規(guī)劃設(shè)計研究院,山東 濟(jì)南 250101;2.山東金衢設(shè)計咨詢集團(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)合河流實際情況,橋梁設(shè)計流量為13 653.62 m3/s,設(shè)計水位為23.41 m,設(shè)計橋梁跨度為125.63 m,設(shè)計河流流速為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)計難度。以下結(jié)合該工程項目實際情況,對橋梁主梁、拱肋、橫撐、吊桿、支座、主墩、承臺等進(jìn)行設(shè)計,并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求,對設(shè)計后的橋梁整體力學(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

根據(jù)該工程實際情況,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

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,其中每個箱梁中支點處梁高度為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,個別區(qū)域頂板厚度加厚到0.67 m,此外,中支點處頂板厚度達(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,各個橫向預(yù)應(yīng)力索之間的間距為75.55 cm,采用交錯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,每個橫隔板均設(shè)置過人孔,方便后續(xù)橋梁運營階段維修。整個橋梁共設(shè)置156個梁段,其中邊跨59個,中跨28個,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

該橋梁左右各設(shè)置一榀拱肋,拱肋跨度設(shè)計為240 m,設(shè)計矢高為45 m,設(shè)計拱肋橫向中心距為13.65 m,拱肋的矢跨比設(shè)計為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

吊桿采用箱內(nèi)錨固形式,整個連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁共設(shè)置24組雙吊桿,吊點數(shù)量為24個,雙吊桿之間間距為0.45 m,吊桿布置方向為順橋方向,每組吊桿中心距設(shè)計為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)運用期間對吊桿索力進(jìn)行實時監(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),整個噸位設(shè)計為15 000 kN,鋼筋型號為C35。整個橋梁支座數(shù)量為56個,支座布置位置為連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁邊支點,每個邊支點橫向設(shè)置2個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

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,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,完成了對橋梁設(shè)計。

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)。

實驗從橋梁主梁上設(shè)定8個測點,利用上述公式計算出各個測點承載力,并測量出施工階段、主力工況下、主力+附加力工況下各個測點最大受壓應(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。

橋梁運用荷載組合計算公式為

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。

實驗中橋梁附加力為120 N,利用上述公式計算出橋梁荷載,在以上兩種荷載條件下,計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)計滿足設(shè)計要求。

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。實驗使用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)計施工期間工況7個,使用電子表格對各個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營期間,橋梁拱肋應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

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,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)計需求和對設(shè)計橋梁的驗算結(jié)果可知,在兩種荷載條件下,計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)計方案具有較好的可行性。

雖已進(jìn)行了相關(guān)驗算,但在實際施工過程中,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)資料以及個人經(jīng)驗,對橋梁設(shè)計進(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)計方案,并通過實驗驗證了該設(shè)計方案的可行性,此次研究為連續(xù)鋼構(gòu)柔性拱組合橋梁設(shè)計提供了參考依據(jù)。