太原市南中環(huán)快速路高架橋箱梁計(jì)算分析

唐 軍

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030002)

1 工程概況

太原市環(huán)線道路建設(shè)工程——南中環(huán)工程(東環(huán)高速—西環(huán)高速)全長14.25km，平陽路—體育路段高架橋全長2 094.62 m，連續(xù)上跨南中環(huán)街與平陽路等三個道路交叉口，路口處均采用(36+56+36)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，其余為4×28 m，4×29 m，3×30 m，4×30 m和3×35 m的等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋梁標(biāo)準(zhǔn)段寬度為23.5 m。在平陽路與長治路路口之間設(shè)置與主線平行的匝道橋(南側(cè)、北側(cè)各一處)，橋?qū)?.5 m，為3×30 m，4×30 m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁;在匝道橋與主橋相接處，主橋?qū)挾扔?41.5 m 過渡到 23.5 m，形式為(20.5+3×25+20.5)m等高等寬的鋼筋混凝土連續(xù)梁。主線橋?qū)?3.5 m的標(biāo)準(zhǔn)斷面橋墩采用帶橫梁雙立柱橋墩，匝道橋墩立柱采用單立柱形式，橋臺采用薄壁橋臺，墩臺基礎(chǔ)均為承臺配樁基，主線和匝道橋臺側(cè)墻兩側(cè)接鋼筋混凝土擋土墻。

上跨平陽路等三個路口采用的(36+56+36)m連續(xù)梁，為高架橋控制性工程，橋梁立面及斷面如圖1～圖3所示。橋墩立柱形式均采用帶橫梁雙立柱橋墩，且沿高度弧線變化。為確保橋梁結(jié)構(gòu)安全，需對此連續(xù)梁橋上部箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱、橫向力學(xué)性能分析。

圖1 連續(xù)梁橋立面圖

圖2 連續(xù)梁橋邊墩斷面圖

圖3 連續(xù)梁橋中墩斷面圖

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100年。2)設(shè)計(jì)行車速度:60km/h。3)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn):城A級。4)橋梁凈寬度:2×凈10 m。5)橋面橫坡:雙向2%。

3 箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 箱梁基本構(gòu)造

箱梁采用變截面單箱五室斷面，箱梁頂寬度為23.3m，箱梁底寬度為14m，翼緣的懸臂長度值為2.5 m，箱梁通過頂?shù)装逍纬蓹M坡，全截面梁高一致。箱梁高度(裸梁)在全聯(lián)端部及跨中均為2 m，在墩頂位置為3.3m，箱梁在25.5m長度內(nèi)梁高按二次拋物線從2 m過渡到3.3 m。箱梁頂板厚度:梁端及墩頂處最大值為50cm，其余位置均為25cm。箱梁底板厚度:標(biāo)準(zhǔn)段厚度22cm，在25.5m長度內(nèi)按二次拋物線從22cm過渡到80cm。箱梁腹板厚度:梁端及墩頂最大處為70cm，其余位置均為45cm。全聯(lián)中心處設(shè)置一道30cm厚橫隔板，且箱梁采用C50混凝土。

3.2 箱梁縱向鋼束布置方式

箱梁按部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用縱向預(yù)應(yīng)力鋼束、橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束相結(jié)合的形式。縱橫向預(yù)應(yīng)力均采用φS15.24mm預(yù)應(yīng)力低松弛鋼絞線，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860MPa，彈性模量1.95×105MPa;且縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼束管道為塑料波紋管圓管成孔，并使用真空輔助壓漿工藝。全聯(lián)箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束共128束，頂板束為80束，底板束為24束，腹板束為24束。頂板處預(yù)留4個備用孔道，跨中底板預(yù)留2個備用孔道，邊跨底板也各預(yù)留2個備用孔道。墩頂頂板鋼束為24束12φS15.24鋼絞線及8束3φS15.24的鋼絞線，腹板鋼束采用24束15φS15.24的鋼絞線;中跨跨中底板處采用6束12φS15.24的鋼絞線。箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖見圖4，鋼束的控制張拉應(yīng)力為0.75fpk。

3.3 箱梁橫梁鋼束布置方式

中橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置共設(shè)14束15φS15.24鋼絞線，每排7束，布置圖詳見圖5，鋼束的控制張拉應(yīng)力為0.75fpk。

圖4 箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束半立面圖

圖5 中橫梁橫向預(yù)應(yīng)力鋼束立面圖

4 連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 箱梁整體靜力計(jì)算

計(jì)算相關(guān)參數(shù)取值方法:箱梁整體升溫25℃，整體降溫為30℃。同時，按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對結(jié)構(gòu)梯度溫度進(jìn)行相應(yīng)取值。邊跨橋墩支點(diǎn)處的不均勻沉降取12mm，主跨橋墩支點(diǎn)處取15mm計(jì)算。二期恒載按照鋪裝及護(hù)欄自重加載。全橋施工及運(yùn)營階段的靜力計(jì)算是按橋梁博士V3.2.0進(jìn)行計(jì)算，為驗(yàn)證合理性，采用MIDASCIVIL程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行復(fù)核。箱梁計(jì)算模型劃分方法:單元86個，節(jié)點(diǎn)87個，且分為混凝土澆筑及鋼束張拉、二期恒載加載、運(yùn)營三個施工階段進(jìn)行計(jì)算。成橋運(yùn)營計(jì)算工況:恒載、活載、整體升降溫及梯度溫度、支點(diǎn)沉降等。計(jì)算結(jié)果說明:箱梁在各個施工階段，混凝土應(yīng)力、鋼束張拉控制應(yīng)力可滿足規(guī)范要求;基本組合時，所有單元抗彎承載力均大于相應(yīng)彎矩設(shè)計(jì)值，承載力極限狀態(tài)可滿足設(shè)計(jì)要求;同時基本組合時，箱梁上緣位置混凝土最大壓應(yīng)力為10.1MPa(正值表示壓應(yīng)力，負(fù)值表示拉應(yīng)力)，下緣位置混凝土最大壓應(yīng)力為8.5MPa，滿足相關(guān)規(guī)范要求;短期效應(yīng)組合時，箱梁上緣位置混凝土最小應(yīng)力為-0.25MPa，下緣位置混凝土最小應(yīng)力為-0.64MPa，可滿足相關(guān)規(guī)范要求;當(dāng)采用長期效應(yīng)組合時，箱梁上緣位置混凝土最小應(yīng)力為0.76MPa，下緣位置最小應(yīng)力為0MPa，均可滿足規(guī)范要求;在正常使用極限狀態(tài)時，按規(guī)范要求消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度，此時中跨跨中撓度為4mm，也可滿足規(guī)范要求。綜上所述，箱梁承載力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果、持久狀況及短暫狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果、正常使用極限狀態(tài)抗裂與撓度驗(yàn)算結(jié)果均可以滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4.2 中橫梁靜力計(jì)算

計(jì)算參數(shù)相關(guān)參數(shù)取值方法:中橫梁整體升溫25℃，中橫梁整體降溫30℃。按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對結(jié)構(gòu)梯度溫度進(jìn)行相應(yīng)取值。二期恒載按照鋪裝及護(hù)欄自重加載、由腹板傳遞過來的豎向剪力按照頂板與腹板分?jǐn)偟男问郊虞d至腹板位置。中橫梁施工及運(yùn)營階段的靜力計(jì)算按橋梁博士V3.2.0進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，計(jì)算模型劃分方法:單元46個，節(jié)點(diǎn)47個，且分為混凝土澆筑及橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉、二期恒載加載、運(yùn)營三個施工階段進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。成橋運(yùn)營計(jì)算工況:恒載、活載、整體升降溫及梯度溫度、支點(diǎn)沉降等。計(jì)算結(jié)果說明:中橫梁在各個施工階段，混凝土應(yīng)力、鋼束張拉控制應(yīng)力可滿足規(guī)范要求;基本組合時，所有單元抗彎承載力均大于相應(yīng)彎矩設(shè)計(jì)值，承載力極限狀態(tài)可以滿足設(shè)計(jì)要求;同時基本組合時，橫梁上緣位置混凝土最大壓應(yīng)力為9.4MPa(正值表示壓應(yīng)力，負(fù)值表示拉應(yīng)力)，橫梁下緣位置混凝土的最大壓應(yīng)力為11.1MPa，可以滿足規(guī)范要求;當(dāng)采用短期效應(yīng)組合時，橫梁上緣位置混凝土最小應(yīng)力為4.7MPa，下緣位置為0.97MPa，可以滿足規(guī)范要求;當(dāng)采用長期效應(yīng)組合時，橫梁上緣位置混凝土最小應(yīng)力為1.7MPa，下緣位置為0.42MPa，也可滿足規(guī)范要求。總之，中橫梁的承載力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果、持久狀況及短暫狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果以及正常使用極限狀態(tài)抗裂均可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

5 結(jié)語

上跨平陽路等三個路口所采用的(36+56+36)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，為太原市南中環(huán)快速路高架橋的關(guān)鍵控制性工程;箱梁的縱向布束、中橫梁針對其橫向支座特點(diǎn)而布置的鋼束計(jì)算，是該橋的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。通過先進(jìn)的計(jì)算分析手段，優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使結(jié)構(gòu)尺寸合理、比例協(xié)調(diào)，外形優(yōu)美、安全可靠。本文所采用的高架橋連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)形式，可為同類橋梁的設(shè)計(jì)實(shí)施提供借鑒。

［1］JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［2］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］CJJ 11-2011，城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］石貴軍.流架I號大橋設(shè)計(jì)［J］.中外公路，2010(5):29-31.