天門市水陸李大橋主橋連續梁設計

嚴少波

(湖北省交通規劃設計院,武漢 430051)

天門市水陸李大橋主橋連續梁設計

嚴少波

(湖北省交通規劃設計院,武漢 430051)

天門市水陸李大橋主橋是一座為3跨預應力混凝土連續箱梁橋,橋跨布置為65 m+110 m+65 m。結合該橋的設計過程,探討了該橋的技術標準、結構設計、結構計算、主要施工方法,從材料、構造措施和施工工藝等方面進行設計以保證大橋的使用壽命。

連續梁; 主橋; 預應力混凝土; 設計

1 工程概況

天門市皂仙公路水陸李大橋是湖北省重要的南北向干線公路——皂仙公路上的組成部分,是皂仙公路胡市至凈潭段改擴建工程跨越漢北河的一座配套橋梁。水陸李大橋上跨漢北河以及兩岸大堤,橋跨布置為4×30 m+4×30 m+4×30 m+4×30 m+(65+110+65)m+5×30 m,橋梁全長877 m,寬度12 m。引橋上構采用預應力砼先簡支后結構連續小箱梁跨越漢北河左岸河堤,主橋采用65+110+65 m變截面懸澆連續箱梁上跨漢北河主通航河道及漢北河右岸堤防[1](如圖1所示)。主橋箱梁為全預應力砼結構,引橋小箱梁為A類預應力砼結構。引橋下構為柱式橋墩配樁基,主橋為矩形墩配承臺樁基;橋臺為肋板臺配樁基礎。大橋總體設計綜合考慮地形、通航、水文、地質、防洪等因素,在滿足大橋使用功能的前提下,力求達到景觀協調、結構經濟安全、方便施工的目標[2]。

2 主要技術標準

設計基準期:100年。

設計車速:60 km/h。

橋面布置:按雙向2車道標準建設,橋梁寬度為12 m,布置形式為0.5 m(防撞墻)+11 m(行車道)+ 0.5 m(防撞墻)。

設計荷載基本參數:公路-Ⅱ級汽車荷載。

船舶撞擊力:主通航孔順水流方向450 k N,橫水流方向550 k N。

設計洪水頻率:1/100,最高通航水位27.34 m,最低通航水位20.540 m,設計水位28.644 m。

橋下通航等級:按Ⅳ-(3)航道考慮,凈寬94.632 m,凈高8.0 m。

橋面平、縱、橫設計:平面線型為直線,橫坡為雙向2%路拱。縱斷面位于R=10 000 m的凸形豎曲線上,縱坡1%～-2.95%。

3 結構設計

3.1 主梁設計

水陸李大橋主橋上部結構為3跨預應力混凝土連續箱梁,箱梁采用單箱單室截面(如圖2所示),箱梁頂寬12 m,箱梁底寬6.5 m,兩側懸臂長度2.75 m。箱梁混凝土標號為C55。

箱梁支點截面根部梁高6.7 m,跨中及端部梁高2.9 m。箱梁根部底板厚70 cm,跨中底板厚28 cm。箱梁梁高、底板厚度從支點截面根部至跨中按2次拋物線變化,其中梁高的變化方程為:y=0.001 405 3x2+2.9,式中,x表示相對變化起點的距離,y表示相對變化起點的高差。

腹板在主墩墩頂0號梁段為65 cm,中跨跨中及邊跨現澆梁段為45 cm,其它之間梁段腹板厚度由65 cm變到45 cm,腹板厚度在兩個箱梁節段內直線變化。箱梁頂板厚度28 cm。箱梁頂設有2%的單向橫坡。沿橋設計線,墩頂0號梁段長12 m,梁段長度從根部至跨中各為:6×3.5 m、6×4.5 m,邊、中跨合攏段長2 m。邊跨現澆段長4 m。

水陸李大橋主橋上部結構按預應力混凝土全預應力構件設計,采用三向預應力。縱向預應力束分為腹板下彎束、頂板束和底板連續束,采用平、豎、彎相結合的空間曲線,分別錨固在箱梁的腹板、頂板、頂底板承托或齒板上[3]。縱向束采用12?s15.2 m、15?s15.2 m、19?s15.2 m,標準強度1 860 MPa,縱向預應力鋼絞線孔道采用內徑100 mm、90 mm的金屬波紋管成孔。豎向預應力采用?32 mm的冷拉Ⅳ級精軋螺紋粗鋼筋,管道采用內徑42 mm的金屬波紋管,上端張拉,錨在頂板頂面,控制張拉力635.7 k N,豎向預應力筋順橋向間距平均50 cm。橫向預應筋采用標準強度1 860 MPa的2～?s15.2 mm鋼絞線,扁錨,用內徑50 mm的金屬波紋管成孔。控制張拉力377.5 k N,為方便施工,采用一端張拉。橫向預應力筋順橋向間距50 cm。

管道灌漿建議采用真空灌漿工藝。預應力鋼束設定位鋼筋,間距50 cm,彎道處間距加密到30 cm。

3.2 橋墩及基礎設計

主橋主墩均采用鋼筋混凝土矩形墩,墩高分別為11.326 m、11.188 m,墩身截面采用b(橫橋向)×h(順橋向)=6.5×3.5 m。主墩承臺厚度為3.5 m,基礎為4?2.5 m鉆孔灌注樁基礎,設計樁長為52 m和55 m (按摩擦樁設計)。

過渡墩也采用鋼筋混凝土矩形墩,左右幅過渡墩高(不含墩帽)14.09 m、9.282 m。主橋過渡墩承臺厚2.5 m,基礎為4?1.5 m鉆孔灌注樁,設計樁長35 m(按摩擦樁設計)。

為避免或減少因船舶碰撞橋墩帶來的墩身結構局部破損、船體破損及相應的損失,在通航孔兩側橋墩四周采取用橡膠碰墊或防撞鋼套箱等吸能圍護措施等。

3.3 結構計算

水陸李大橋主橋整體計算采用桿系理論,以主梁橋軸線為基準劃分結構離散圖。采用midas Civil 2011軟件建立有限元模型,主橋上部結構共劃分72個單元。計算模型及單元劃分如圖3所示。

水陸李大橋主橋采用懸臂澆筑法,計算模型按照施工方案共劃分了15個計算階段,其中前14個階段為施工階段,最后一個階段為正常使用階段。每個懸臂施工階段包括掛籃就位、梁段澆筑、張拉預應力束(筋)及掛籃前移等四個主要工況。成橋運營計算包括恒載、活載、支點沉降、溫度等工況[4]。

通過對結構整體分析驗算,綜合考慮了短暫狀況與持久狀況時的各種工況,包括自重、施工荷載、預應力、預應力二次力、收縮徐變次內力、非線性溫差、活載、基礎變位等作用;對箱梁施工、使用階段各截面的內力、應力,以及使用階段的強度等均進行了計算分析,各種最不利荷載組合下結構強度均滿足規范要求。表1為承載能力極限狀態組合下結構控制斷面正截面彎矩值與最大抗力比較。

表1 承載能力極限狀態組合單元內力與最大抗力比較表

3.4 主要施工方法

3.4.1 上部結構施工

水陸李大橋箱梁施工方案為:先施工基礎、橋墩;在主墩兩側承臺上搭設臨時支架澆筑0#塊砼;然后分塊懸臂對稱澆注梁段,形成最大T構狀態,同時在邊跨直線段和邊跨合攏段搭支架,并用110%自重進行預壓,待基礎沉降穩定后,分段拆除壓重并澆筑該段砼,直至完成邊跨合攏,形成兩個單懸臂的超靜定梁;最后利用剛性吊架合攏跨中段;最后成橋形成3跨連續梁橋[5]。

主墩0#塊長12 m,兩側1～6#塊長3.5 m,7～12#塊長4.5 m;最大節段重量為131.1 t,掛籃設計重按79 t設計。掛籃施工應嚴防掛籃跌落,尤其應防止在最大懸臂施工狀態下出現,因此掛籃在施工過程中對后錨固點必須具備雙保護方案。對稱塊段砼澆注速度偏差應小于30%,各塊段施工誤差控制在5%以內。

由于水陸李大橋設有縱坡,所以在同一“T”的對稱節段標高不等,施工中應嚴格控制。箱梁內管道與鋼筋如發生沖突,以縱向鋼束受力為主,可適當調整其它鋼筋的位置。

3.4.2 下部結構施工

水陸李大橋箱梁主橋墩采用滑模施工方案,樁基礎采用鉆孔灌注樁基礎。樁基鉆孔應嚴格控制孔的中心位置,其偏差不得大于5 cm,孔徑不得小于樁徑,且鉆孔樁傾斜度應小于1%。孔深必須嚴格按設計標高控制,相鄰樁底高差不得大于10 cm,并不得高于設計樁底標高,樁底清孔必須徹底。

由于水陸李大橋箱梁主橋墩采用C40混凝土,混凝土收縮量較大,施工過程中須密切注意混凝土的收縮裂縫。對混凝土的材料應反復優化配合比,增加必要的降低收縮量的添加劑;從工藝上應盡量努力降低骨料溫度,縮短節段之間的混凝土齡期差,并加強養生。為防止剛度突變,墩身第一個施工接縫設在墩身底以上5 m左右,其余施工接縫的設置按照相應的施工規范參照執行。

水陸李大橋橋臺處于大于1%的縱坡上,出現橋臺背墻與梁端干擾的問題,即梁端侵入終點橋臺伸縮縫,導致伸縮縫空隙縮小,無法滿足伸縮縫安裝所需空間,因此必須對橋臺背墻前緣進行處理。具體處理措施采取以背墻前緣與帽梁頂的交點(不動點)為原點,對背墻前緣線采取與路線縱坡同方向的轉動,使其坡度與路線縱坡一致,其它部位均不動的處理措施,調整示意圖如圖4所示。

4 結 語

結合水陸李大橋的設計過程,對主橋的技術標準、主梁設計和橋墩和基礎設計、結構計算、上下部結構的主要施工方法等進行了詳細介紹,從材料、構造措施、施工工藝等方面進行了設計,以保障大橋的長效使用壽命,希望能為同類橋梁的設計提供借鑒和參考。

[1] 湖北省交通規劃設計院.省道皂毛公路天門市竟陵至岳口段改建工程(第03合同段)施工圖設計[Z].武漢:湖北省交通規劃設計院,2013.

[2] 嚴少波.漢北河竟陵大橋主橋連續梁設計[J].建材世界,2014(3):52-54.

[3] 郭風澤.鐵路大跨預應力混凝土連續梁橋設計[J].四川建筑,2007(9):117-121.

[4] 王玲麗,蔡 建.淺談預應力混凝土連續剛構橋設計體會[J].中國科技信息,2011(15):38.

[5] 鮑衛剛,周泳濤.預應力混凝土梁式橋梁設計施工技術指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

Design of Main Bridge of Tianmen Shuiluli Bridge

YAN Shao-bo
(Hubei Provincial Transport Planning and Design Institute,Wuhan 430051,China)

Tianmen Shuiluli Bridge is a three span prestressed concrete continuous box girder bridge with the bridge spans arrangement of 65 m+110 m+65 m.In accordance with the process of the design of the bridge,this paper discusses the technical standards,structure design,structure calculation,and the main construction method.The durability of the bridge is appropriately designed by the rational utilization of materials and structural formation so as to eventually ensure the long-term service life of the bridge.

continuous beam; main beam; prestressed concrete; design

2014-06-22.

嚴少波(1973-),高級工程師.E-mail:1750987@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.020