某橋梁工程設計中的結構計算與風險分析

劉立民

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司)

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某橋梁工程設計中的結構計算與風險分析

劉立民

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司)

主要針對橋梁工程設計中的結構計算問題，通過具體的工程實例與筆者勘查的具體數據，提出該工程相適應的結構計算。并針對結構計算的具體方案，保證某橋梁工程的質量，避免一些可能出現的工程危險。

橋梁工程；結構計算；質量保證

1 工程概況

橋梁主橋范圍內平面位于直線上，縱面位于直線坡上，路線整幅設計，橋梁上部分左、右幅單獨設計，下部左右幅整幅設計。本次設計的基礎因注意其中的風險問題，所以對橋梁構造做了局部優化調整。具體如下：

主橋上部3～230 m連續剛構箱梁，箱梁頂板寬12.0 m、底板寬6.5 m，懸臂翼緣長2.75 m，單箱單室結構。箱梁根部梁高14.5 m，跨中梁高4.5 m，箱梁根部底板厚150 cm(初步設計為145 cm)，跨中底板厚32 cm，箱梁高度按1.6次方拋物線變化，箱梁底板厚度按1.6次方拋物線變化(初步設計按2.2次方拋物線變化)。箱梁頂板厚30 cm，腹板厚度由跨中45 cm分段變化到根部的90 cm。主橋上部構造按全預應力混凝土設計，采用三向預應力。

主橋下部主墩初步設計采用雙肢等截面空心墩，施工圖階段為增加超高橋墩剛度、改善超高橋墩受力，對主橋2#、3#橋墩進行了優化。故1#、4#主墩仍采用雙肢等截面空心墩，單肢厚度為3.5 m(初步設計也為3.5 m厚度等截面)，2#、3#主墩采用雙肢變截面空心墩，在順橋向橋墩外側按1∶100變坡，單肢墩頂厚度為3.5 m(初步設計為4.5 m厚度等截面)，基礎為鉆孔樁基礎，樁徑為2.4 m(初步設計為2.3 m)。

2 橋梁結構設計計算

2.1 初步設計橋型方案

某橋梁的地形構造如下，該河的河谷斷面類似與一個V字形，且在河床的兩岸有著較陡的山坡，地質構造非常不穩定。在孔跨布置時，應該選取合理的設計，盡量避免兩岸的主墩位置處于不穩定的地質環境中，以此減少相關基礎費用的支出，使得施工進程可以順利的開展。兩岸均存在較大范圍的地質不良地帶，選擇橋型時應盡量避開兩岸不良地質體，減少橋梁施工對其的擾動，減少對不良地質體的處置費用。據勘查，該地屬于河谷地帶，并且水位線較高，橋梁構件的主要受力點大較難選擇，但是橋型方案的選擇要注意抗風穩定性，因為無論是施工過程，還是未來的運營階段這都是主要因素。此外，施工安全、方便也是橋型方案應該重點考慮的方面，橋型方案不僅要滿足橋梁使用的功能，還需盡可能的考慮新技術、新工藝和新材料，使用成熟可靠的橋型結構，以此來降低工程的造價，提升施工的進度，避免施工當中的風險項。由于該橋建造位置偏僻，有著復雜的地勢，所以施工的材料與設備運輸也是其中的難點。

河岸在K30+130～K30+200段有一開闊平地，是設置橋墩的理想平臺，織金岸K30+400以后有一開闊平地，可以設置橋墩，在考慮留足橋墩距離河岸陡坡的安全后，選擇主跨至少應在230 m以上。根據地質勘察建議，河岸不良地質體(巖堆體)不宜施工擾動和人為加載，故宜設置較大跨徑跨越。而織金岸不良地質體(巖堆體)處于自然穩定狀態，橋梁方案選擇不受控制，主要可在工程可行性和經濟合理性方面做比選，初步設計據此進行方案比較。

2.2 橋梁結構設計參數

(1)材料設計。

箱梁C55：26 kN/m3(計算時按C50混凝土控制)，橋墩C50：26 kN/m3，承臺C30：26 kN/m3，樁基：C30：25 kN/m3。橋面現澆層鋪裝C50現澆混凝土：26 kN/m3，瀝青混凝土鋪裝：24 kN/m3。護欄C30：25 kN/m3。

(2)預應力設計。

縱向預應力采用公稱直徑15.20 mm的預應力鋼絞線，公稱抗拉強度為fpk=1 860 MPa，計算彈性模量E=1.95×105MPa，松弛等級為Ⅱ級。預應力鋼束的張拉控制應力采用0.75fpk、0.72fpk兩種。預應力管道采用塑料波紋管。錨下控制張拉應力：σ1con=0.75×fpk=1 395 MPa、σ2con=0.72×fpk=1 339.2 MPa。錨具變形與鋼束回縮值(一端)：△L=6 mm管道摩阻系數μ=0.17管道偏差系數κ=0.001 5豎向預應力鋼筋單根張拉控制應力σk=0.9fpk=706.5 MPa，張拉控制力568 kN考慮，計算時考慮錨具回縮變形1 mm、混凝土長期收縮終值取為0.26×10-3，混凝土收縮變形4 000×0.26×10-3=1.04 mm，混凝土徐變變形1.08 mm，預應力松弛5%，則4.5 m長粗鋼筋近似損失應力：σs=0.003 12×2×105/4.5+5%×706.5=174.0 MPa≈0.25σk，則箱梁每延米豎向預加力F=8×0.75×568=3 408 kN。非預應力鋼筋：受力筋均采用HRB335普通鋼筋。

2.3 結構主要結果分析

某工程項目為高速公路特大型橋梁，設計基準期為100年，環境類別為一般環境。主橋的主梁、主墩等構件均處于干濕交替環境(作用等級為C級)。所以針對橋梁結構結構，其設計結果基本為：在基本組合確定下，上部的箱梁在承載能力中，均已滿足設計的極限狀態。各單元的彎矩設計值均小于相應的抗彎承載力。在一般情況，箱梁的混凝土能承受的最大壓應力為17.0 MPa，滿足規范要求。在短期組合下，抗裂驗算箱梁混凝土沒有出現拉應力，箱梁上緣0#段的最小壓應力和跨中下緣最小壓應力分別為0.3 MPa和1.5 MPa，該數值均已滿足抗裂規范要求。

3 橋梁結構設計風險分析

針對以上橋梁設計計算結果分析，某橋梁結構設計的安全風險預測，根據調查統計情況，如表1所示：

3.1 鋼筋的設計風險

鋼筋在設計時，可能會發生由于橋梁荷載考慮不周，或者安全儲備不夠而選取不符合要求規格、等級的鋼筋材料；或者配筋量不夠。這樣可能造成墩臺承載力不夠。相反，選取高標準的鋼材和配筋率而造成材料浪費。鋼筋材料風險包括選材不當和材料的質量問題，所以建議鋼筋材料要進行嚴格的抽樣力學檢測等科學實驗。

表1 橋梁結構風險表

3.2 模板支架設計風險

保證工程的模板支架設計的質量也是非常重要的，因為混凝土在澆筑時，很有可能發生支架失穩或者模板坍塌等一系列安全事故。多次使用比較有可能在施工過程破壞模板的強度、剛度和穩定性，由此不能可靠地承擔各種荷載，對主墩的尺寸線形會產生影響?；せ蚺滥r容易造成模板構件的損傷，降低了模板系統的周轉率，不利于主墩施工。循環使用中模板接縫處也會造成損傷，造成漏漿現象。

3.3 材料配比風險

混凝土應用攪拌機攪拌，攪拌延續時間應根據攪拌機類型，混凝土坍落度等情況確定，時間不足時拌和物將達不到均勻要求，時間過長拌和物可能產生離析。混凝土運輸時應確保運輸能力適應混凝土凝結速度和澆筑速度的需要。使澆筑工作不間斷，并使混凝土運到澆筑地點過程中不斷攪拌，否則將不能滿足均勻性和規定的坍落度要求。

3.4 大體積混凝土澆筑風險

在混凝土澆筑施工過程，有著極大的風險。第一，混凝土水化熱度的控制不當，將有開裂事故的發生。第二，由于澆筑控制不當可能會發生墩臺澆筑不密實，此外混凝土的質量不達標，對保護層厚度產生重要影響，甚至有安全隱患。如果混凝土保護層尺寸過大，便會讓水泥水化熱散發的過程存在困難，使得澆筑的混凝土溫度幅度升高過快，出現危險事故。在后期的降溫過程中，還肯能出現溫度收縮的問題，由于大體積混凝土一般是用較小的配筋量，所以，過快的溫度收縮將導致混凝土出現裂縫，嚴重將導致斷裂。

4 結 語

綜上所述，結構設計中，除了針對不良地質、高墩、長懸臂等特點做好質量控制和施工安全外，還應注意施工過程中存在的一系列誤差，并對結構的內力狀態和控制加以分析。加強誤差的精度研究，有利于在施工過程中提升構件應力和變形方面研究。此外，還需要注意工程監控，因為在橋梁施工過程中，風險控制是其中一個重要的環節。

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2015-02-18

U445.1

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1008-3383(2015)09-0122-02