國內(nèi)外橋梁設計理念差異性對比

■肖 偉 ■中鐵大橋局海外分公司，湖北 武漢 430050

隨著國家“走出去”及“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，越來越多的中國企業(yè)開始走出國門在境外承攬大型工程的勘察、設計及施工。面對完全陌生的環(huán)境，最初總會存在語言、設計理念、施工規(guī)范等方方面面的差異。本文通過對比坦桑尼亞基甘博尼斜拉橋在設計理念上與國內(nèi)常規(guī)橋梁之間的差異，試圖將國外部分橋梁設計思路進行介紹，一方面可用于國內(nèi)橋梁設計人員參考借鑒，其次可供國外橋梁項目施工人員加深對國外橋梁設計的理解，從而更好的促進現(xiàn)場施工。

1 項目簡介

坦桑尼亞基甘博尼斜拉橋位于首都達累斯薩拉姆市的Kurasini海灣。項目是完全采用國際招投標方式進行管理的海外項目。業(yè)主為坦桑尼亞社保基金及國家工程部，設計及咨詢方為埃及ACE公司，設計規(guī)范為美國AASHTO LRFD橋梁設計規(guī)范，該規(guī)范也是目前國外運用范圍最廣的橋梁設計規(guī)范。該項目設計僅為概念設計，具體細化設計及施工圖設計由承包商負責。

該橋主橋為五跨雙塔單索面鋼斜拉橋，主橋長400m，梁跨布置形式為(40+60+200+60+40)m;主梁采用單箱三室預應力混凝土梁，梁面寬32m，塔梁固結(jié)、墩梁分離結(jié)構，梁面以上主塔高55米。主橋的兩側(cè)分別采用4×40m及3×40m雙幅等高單箱雙室預應力混凝土連續(xù)箱梁連接，單幅梁頂面寬14．8m，兩幅凈距2．4m，橋梁全長680m。橋梁基礎均采用鉆孔灌注樁，全橋布置圖如圖1所示，

圖1 基甘博尼橋(40+60+200+60+40)m斜拉橋主橋立面布置圖

2 與國內(nèi)橋梁設計理念差異性對比

2．1 基于AASHTOLRFD橋梁設計規(guī)范的樁基承載力設計

樁基最終樁長確定之前，由承包商根據(jù)標準貫入法(SPT)完成地勘后，根據(jù)地勘資料進行樁長設計并報咨詢審批。樁基承載力按照AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS第10．8章(鉆孔樁)進行設計［1］。

(1)AASHTO LRFD橋梁設計規(guī)范對鉆孔灌注樁承載力計算方法如下:

RR=ψRn=ψqpRp+ψqsRs，其中 RP=qpAp，Rs=qsAs

Rp－－－樁端名義抗力(N);Rs－－－樁側(cè)名義抗力(N);ψqp－－－樁端抗力系數(shù);

ψqs－－－樁側(cè)抗力系數(shù);qp－－－樁端單位抗力(MPa);qs－－－樁側(cè)單位抗力(MPa);

Ap－－－樁端面積(mm2);As－－－樁側(cè)面積(mm2);

對于粘性土層:

樁側(cè)抗力:qs=αSu;

當 Su/pa≤1．5 時 α =0．55，當1．5≤Su/pa≤2．5 時 α =0．55 －0．1(Su/pa－1．5)

Su－－－土的不排水抗剪強度(MPa);α－－－粘性系數(shù);pa－－－ 大氣壓(=0．101MPa)

樁端抗力:qp=NcSu≤4．0，其中 Nc=6［1+0．2(Z/D)］≤9

D—樁直徑(mm);Z—樁入土深度(mm);Su—土的不排水抗剪強度(MPa)

對于非粘性土層:

樁側(cè)抗力:qs=βσ＇v≤0．19 當0．25≤β≤1．2 時;

其中當 N60≥15時，β =1．5－(7．7×10－3√z)，

當 N60＜15時，β=(N60/15)×(1．5－7．7×10－3√z)

σ＇v－－－土層豎向有效應力(MPa);β－－－荷載傳遞系數(shù);z－－－入土深度(mm);N60－－－SPT平均錘擊數(shù)(僅進行錘擊效率修正)

樁端抗力:當 N60≤50 時，qp=1．2 ×0．057N60≤3．0MPa

式中qp的值應不大于3．0MPa，除非有荷載試驗數(shù)據(jù)能夠驗證。

當 N60 ＞50 時，qp=0．59［N60(pa/σ＇v)］0．8 × σ＇v，式中 N60 最大值取100．

(2)中國規(guī)范JTG－D63－2007 5．3章中對鉆孔灌注樁承載力容許值計算如下［2］:

式中［Ra］—單樁軸向受壓力承載值(KN);u—樁身周長(m);Ap—樁端截面面積(m2);n—土的層數(shù);1i—承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度;qik—與1i對應的各土層與樁側(cè)的摩擦力標準值(KPa);qr—樁端處土的承載力容許值(KPa);［fa0］—樁端處土的承載力基本容許值(KPa);h—樁端的埋置深度(m);k2—容許承載力隨深度的修正系數(shù);γ2—樁端以上各土層的加權平均重度(KN/m3);λ—修正系數(shù);m0—清底系數(shù);

兩種規(guī)范計算原理類似，但是通過兩種規(guī)范計算的對比，根據(jù)AASHTO規(guī)范計算出的樁底抗力顯著偏高。對于本項目樁徑1．5m、樁長45m、樁底位于細砂層的鉆孔樁，根據(jù)AASHTO規(guī)范計算出的樁底抗力達到了2997KN，達到了樁基總抗力的35%左右。

2．2 系梁式空心承臺的設計

主橋邊跨輔助墩承臺采用系梁式空心承臺設計，結(jié)構較為新穎，相較于國內(nèi)常規(guī)設計的實體承臺，該空心承臺的設計較為輕巧，有效減少了漲落潮水對承臺的上浮力，同時大量節(jié)約了承臺混凝土用量從而減輕了結(jié)構自重，值得國內(nèi)同類型橋梁設計借鑒。此類設計也見于國外其他橋梁設計如孟加拉卡納夫里三橋(3rd Karnaphu1i Bridge)主墩同樣采用空心式承臺。

圖2 基甘博尼斜拉橋空心承臺示意圖

圖3 國內(nèi)常規(guī)實心承臺示意圖

2．3 拉壓支座的處理方式

根據(jù)計算，主橋邊跨輔助墩在運營期會承受拉力，設計方通過在主梁下方設置倒掛梁于墩身內(nèi)，在倒掛梁上安裝板式抗壓支座反作用于墩頂。當主梁有向上的位移時，倒掛梁隨之發(fā)生向上的位移并對布置在其上的支座產(chǎn)生壓力，支座將力傳遞至墩頂并最終由樁基承擔。

通過此設計，實現(xiàn)了由經(jīng)濟、小巧的板式抗壓支座巧妙解決了上拔力的問題，相比國內(nèi)通常采用大噸位拉壓支座，此設計減小了造價，但同時由于倒掛梁設于墩內(nèi)，給梁的施工帶來了較大的困難，且對支座的安裝以及支座后期的維護和更換帶來了不便。

圖4 過渡墩支座布置示意圖

2．4 寬幅薄壁箱梁內(nèi)加勁斜撐的設計

主梁采用掛藍分節(jié)段現(xiàn)澆施工，每隔一個節(jié)段布置一對斜拉索。在主梁有索區(qū)節(jié)段，由于斜拉索在箱梁中線上進行梁端錨固，為將斜拉索豎向分力有效傳遞至腹板上，箱梁內(nèi)部設計有預應力混凝土加勁斜撐，同時對斜拉索錨固處的錨塊施加了預應力［3］。該設計在有效減小箱梁結(jié)構尺寸的同時，保證了箱梁的剛度及受力。類似設計同樣見于法國伯勞東納橋(Brotonne Bridge)、越南拜寨大橋(Bai Chay Bridge)、孟加拉卡納夫里三橋(3rd Karnaphu1i Bridge)。

圖5 箱梁內(nèi)加勁預應力混凝土斜撐示意圖

2．5 主塔斜拉索錨固區(qū)環(huán)形預應力的設計理念

主塔斜拉索為單索面鋼絞線斜拉索設計，每根斜拉索的鋼絞線數(shù)量從80－160根不等，為抵抗斜拉索傳來的巨大水平分力，改善主塔受力，在主塔斜拉索錨固區(qū)設置了環(huán)形的預應力。與國內(nèi)常規(guī)采用井字形直線預應力，主要靠錨頭擠壓構件端部并由此向內(nèi)傳遞壓力不同，此預應力布置方式簡潔明了，受力明確，通過預應力束擠壓孔道壁，使管體混凝土截面內(nèi)形成預壓應力，從而抵抗斜拉索的水平分力，但同時此布置方式也增大了預應力的摩阻損失，降低了有效預應力值。

圖6 主塔環(huán)向預應力鋼絞線示意圖

圖7 國內(nèi)主塔常規(guī)井字形預應力示意圖

2．6 大噸位單索面斜拉索設計

基甘博尼斜拉橋為單索面斜拉橋，斜拉索采用符合歐標的φ15．7mm外套油脂及PE的鍍鋅鋼絞線，斜拉索內(nèi)鋼絞線數(shù)量最大達到160根，最大索力達到14466KN，單索索體巨大。主塔端設為固定端，主梁中心線上設置錨塊作為張拉端，索體集中錨固在錨塊上。對于類似大索體，國內(nèi)通常設計為雙索面將斜拉索錨固在箱梁兩側(cè)。相比國內(nèi)設計方法，此設計方法減少了錨塊的數(shù)量，簡便了現(xiàn)場施工，但同時由于單個錨塊受力較大，導致錨塊結(jié)構尺寸較大，同時鋼筋及預應力配置較為復雜。大索體的設計方案同時也見于國外其他斜拉橋，例如2006年開工的孟加拉卡納夫里三橋，當時單根斜拉索內(nèi)鋼絞線數(shù)量就已達到了91根。

3 結(jié)語

通過坦桑尼亞基甘博尼斜拉橋在設計理念上與國內(nèi)常規(guī)設計進行對比，筆者認為部分國外設計理念例如空心承臺、箱梁內(nèi)斜撐等是值得我們借鑒的，而部分設計方法值得我們分析研究，例如樁基承載力計算方法與國內(nèi)規(guī)范有較大的差異，而部分設計方法隨著新材料的發(fā)展我們可以在工程實施階段對設計提出優(yōu)化從而方便施工，例如本項目中的原設計倒掛梁上設置支座通過與設計溝通后變更為簡單的拉壓支座，極大的方便了墩頂施工。

隨著中國工程企業(yè)在海外的蓬勃發(fā)展，勢必要求從業(yè)人員更加熟悉國際規(guī)范，在理解設計圖紙的基礎上，通過對比中外設計理念，吸收國外優(yōu)秀的設計思路，同時通過溝通也可將我國優(yōu)秀的設計思路傳播出去，做到學術上相互交流的同時，也能方便現(xiàn)場的施工。

［1］AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，SI units 4thEdition 20007．

［2］JTG－D63－2007公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范2007．

［3］余本俊．寬幅薄壁預應力混凝土箱梁加勁斜撐施工技術．世界橋梁2013(02)．