金沙江特大橋主橋靜力計算分析

王 晨

(中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430056)

1 概述

金沙江特大橋是溪洛渡水電站對外交通公路專用線的控制工程，孔跨布置為2×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支組合箱梁(橋面連續(xù))+(87+158+87)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+1聯(lián)6×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)組合箱梁，橋面布置為0.5 m防撞墻+9.0 m～10.0 m行車道+0.5 m防撞墻，主橋最高處距離地面約80 m。

橋梁全長579.0 m，其中引橋長247.0 m，主橋全長332.0 m。橋面全寬10 m～11 m。橋梁總面積5 833 m2。

本文主要介紹主橋(87+158+87)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁部計算。

2 主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1)道路等級:汽車專用二級公路。

2)計算行車速度:40 km/h。

3)設(shè)計荷載:汽—超20級。

4)驗(yàn)算荷載:掛—250(計算圖式見圖1)。設(shè)計規(guī)定掛車通行時，限制速度5 km/h，并沿橋梁中線居中行駛，同時不得有其他車輛上橋。掛車車輪著地寬度:縱向0.2 m，橫向0.5 m。

圖1 掛車荷載布置圖

5)橋面寬度。

a.直線上 0.5 m(防撞護(hù)欄)+9.0 m(行車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)，橋梁總寬度10.0 m(主橋均位于直線上);

b.圓曲線上橋梁內(nèi)側(cè)加寬1.0 m;

c.緩和曲線段加寬采用高次拋物線過渡;

d.橋臺與路基同寬:直線上10.5 m，曲線上 11.5 m。

6)設(shè)計洪水頻率:1/100;驗(yàn)算洪水頻率:1/300。

7)向家壩水庫回水位380.00 m。

8)地震基本烈度:按8度(地震動峰值加速度0.20g，動反應(yīng)譜特征周期0.4 s)設(shè)計。

9)場地土Ⅱ類。

3 主橋梁部結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主橋箱梁結(jié)構(gòu)

箱梁采用單箱單室截面，箱頂寬10 m，底寬6.5 m，兩側(cè)懸臂長1.75 m。橋面橫坡系1.5%人字坡，由箱梁頂板厚度調(diào)整。箱梁中心處頂板厚度為0.30 m，懸臂根部厚度為0.65 m，底板厚0.3 m ～0.8 m，腹板厚0.3 m ～0.8 m。梁端縱向 0.70 m 范圍內(nèi)，箱梁頂板加厚至0.65 m，并在0.90 m范圍內(nèi)過渡到正常板厚。主橋立面簡圖見圖2。

圖2 主橋立面簡圖（單位：cm）

主墩處支點(diǎn)梁高8.2 m(箱梁懸臂端外側(cè)至梁底)，主跨跨中及邊跨端部現(xiàn)澆段梁高3.4 m(箱梁懸臂端外側(cè)至梁底)，箱梁下緣曲線為 1.6 次拋物線，曲線方程 Y= －0.004 903 097 00X1.6(支點(diǎn)處及跨中處箱梁構(gòu)造見圖3，圖4)。

圖3 支點(diǎn)截面（單位：cm）

圖4 跨中截面（單位：cm）

箱梁梁端各設(shè)一道端橫隔板，厚1.6 m;兩主墩墩壁附近各設(shè)兩道厚1.2 m的中橫隔板，隔板中心距4.8 m。中橫隔板設(shè)寬1.2 m、高1.6 m 的過人洞，端橫隔板設(shè)寬 1.2 m、高 1.3 m 的過人洞。

箱梁根部底板設(shè)φ10 cm排水孔，各梁段腹板設(shè)φ10 cm通風(fēng)孔。

3.2 主橋箱梁材料

1)混凝土。

合龍段:50號微膨脹混凝土;

其余梁段:50號混凝土;

孔道壓漿:50號微膨脹水泥漿;

主橋墩身:40號混凝土;

主橋承臺:25號混凝土;

主橋鉆孔樁:水下25號混凝土。

2)預(yù)應(yīng)力體系。

頂板T束采用19φj15.24 mm鋼絞線，配用群錨M15-19錨具錨固，采用內(nèi)徑100 mm塑料波紋管成孔。腹板鋼束及連續(xù)鋼束均采用15φj15.24 mm鋼絞線，配用群錨M15-15錨具錨固，采用內(nèi)徑100 mm塑料波紋管成孔。

橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用3φj15.24 mm鋼絞線，配用 BM15-3，BM15-3P扁錨錨固，采用內(nèi)徑60 mm×20 mm塑料扁形波紋管成孔，鋼束間距75 cm左右，單端張拉，張拉端與錨固端交錯布置，錨下控制張拉應(yīng)力

豎向預(yù)應(yīng)力及0號段橫隔板橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用JL800精軋螺紋鋼筋，彈性模量 Eg=2.0 ×105MPa，屈服強(qiáng)度 R0.2≥800 MPa，鋼筋直徑32 mm，配用JLM-32錨具錨固，采用內(nèi)徑50 mm塑料波紋管成孔，錨下控制張拉應(yīng)力。0號～14號梁段每側(cè)腹板按雙排設(shè)置，其余梁段按單排設(shè)置。

主橋縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力孔道壓漿均采用真空灌漿工藝。

4 主橋梁部結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計參數(shù)

4.1 箱梁結(jié)構(gòu)分析

箱梁按三向預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計，按平面桿系有限元法分析計算，結(jié)構(gòu)縱向采用BSAS橋梁結(jié)構(gòu)分析程序計算。結(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行計算，同時豎向預(yù)應(yīng)力作為預(yù)應(yīng)力儲備在縱向計算中不考慮其預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。同時采用基礎(chǔ)等剛度代換為“π”形短柱，以考慮樁與地基土組合的效應(yīng)對主橋結(jié)構(gòu)的影響。3，4號墩頂?shù)?號梁段長10 m，其“T構(gòu)”的懸臂施工分為19對梁段，從懸臂根部到跨中的梁段長度為:5×3.0 m+5×3.5 m+9×4.5 m，施工掛籃重1 000 kN，中跨跨中合龍吊架重300 kN，懸臂澆筑梁段最大控制重量1 640.7 kN。邊跨現(xiàn)澆段長7.26 m，邊跨、中跨合龍段長度為2.0 m。懸臂施工每個梁段的施工工序分移動掛籃、澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束3個工序。箱梁合龍即結(jié)構(gòu)進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，是控制橋梁受力狀況和線形的關(guān)鍵工序，故箱梁的合龍順序、合龍溫度均須嚴(yán)格控制。主橋設(shè)計合龍順序?yàn)?拆除施工掛籃→安裝中跨合龍吊架、預(yù)施1 500 kN水平頂力→中跨合龍→邊跨合龍(在落地支架上)。中跨合龍段在合龍吊架上澆筑，邊跨合龍段在落地支架上澆筑。綜合考慮各梁段施工、中跨及邊跨合龍等工序，共劃分為69個計算階段。

4.2 箱梁縱向截面設(shè)計參數(shù)

1)計算荷載。

a.恒載。考慮結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、基礎(chǔ)不均勻沉降等;

二期恒載集度為:47.1 kN/m;

基礎(chǔ)不均勻沉降:相鄰兩基礎(chǔ)不均勻沉降值取4 cm。

b.活載。設(shè)計荷載:汽—超20，驗(yàn)算荷載:掛—250;

主梁偏載系數(shù)取1.10。

c.溫度荷載。混凝土線膨脹系數(shù)0.000 01;

結(jié)構(gòu)整體升、降溫按±15℃考慮;

橋面板不均勻升溫按5℃。

2)荷載組合。

a.荷載組合Ⅰ。結(jié)構(gòu)重力+預(yù)加應(yīng)力+收縮徐變+基礎(chǔ)變位+活載(汽—超20級)。

b.荷載組合Ⅱ。結(jié)構(gòu)重力+預(yù)加應(yīng)力+收縮徐變+基礎(chǔ)變位+體系升溫荷載+頂板升溫+活載(汽—超20級)+制動力。

結(jié)構(gòu)重力+預(yù)加應(yīng)力+收縮徐變+基礎(chǔ)變位+體系降溫荷載+活載(汽—超20級)+制動力。

c.荷載組合Ⅲ。結(jié)構(gòu)重力 +預(yù)加應(yīng)力+收縮徐變+活載(掛—250)。

d.以上荷載組合按天然河床、最大沖刷兩種情況分別組合計算。

3)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)。

a.混凝土。主梁采用50號混凝土，有關(guān)參數(shù)如下:

彈性模量Eh=3.5×104MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度

徐變系數(shù)終極值2.3，收縮應(yīng)變終極值0.000 15;

混凝土計算容重γ=27.3 kN/m3。

主墩墩身采用40號混凝土，有關(guān)參數(shù)如下:

彈性模量Eh=3.3×104MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度

邊墩墩身、承臺、樁基均采用25號混凝土，有關(guān)參數(shù)如下:彈性模量Eh=2.85×104MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度

b.預(yù)應(yīng)力鋼束。縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用φj15.24高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，有關(guān)參數(shù)如下:

彈性模量Ey=1.95×105MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度

管道摩擦系數(shù)μ=0.14，管道偏差系數(shù)k=0.002;

鋼絲松弛系數(shù)ζ=0.035，單端錨具回縮值ΔL=6 mm;

豎向預(yù)應(yīng)力采用φ32 mm精軋螺紋鋼筋，有關(guān)參數(shù)如下:

彈性模量Ey=2.0×105MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度張拉控制應(yīng)力

c.普通鋼筋。普通鋼筋采用Ⅰ級和Ⅱ級鋼筋，有關(guān)參數(shù)如下:

Ⅰ級鋼筋:彈性模量Eg=2.1×105MPa，鋼筋標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度240 MPa;

Ⅱ級鋼筋:彈性模量Eg=2.0×105MPa，鋼筋標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度340 MPa。，混凝土計算容重 γ =26 kN/m3。

5 主橋梁部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

5.1 主橋箱梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1)箱梁正截面設(shè)計及驗(yàn)算。

箱梁正截面采用全預(yù)應(yīng)力理論按三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計。

a.在使用荷載作用下，箱梁上、下緣的法向應(yīng)力按如下標(biāo)準(zhǔn)控制:

b.在使用荷載作用下，預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力按如下標(biāo)準(zhǔn)控制:

2)箱梁斜截面檢算。

在使用荷載作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的計算主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn):

荷載組合Ⅰ:

荷載組合Ⅱ或Ⅲ:

5.2 計算結(jié)果

1)箱梁正截面及斜截面應(yīng)力結(jié)果見表1。

表1 主橋箱梁應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表 MPa

鋼束有效應(yīng)力最大應(yīng)力比0.588，滿足規(guī)范0.65的要求。

2)全橋承載能力極限承載能力狀態(tài)安全系數(shù)見表2。

表2 主橋箱梁強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果表 kN

6 結(jié)語

溪洛渡水電站對外交通公路專用線金沙江特大橋(87+158+87)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)是采用掛—250特殊荷載設(shè)計的橋梁，本文詳細(xì)介紹了該橋概況、主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)條件、主橋靜力計算及分析結(jié)果，可以為相關(guān)橋式橋梁的平面靜力分析提供參考。

［1］JTJ 021-89，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.

［2］JTJ 021-85，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.