哥斯達黎加32號公路Río Pacure河工字梁便橋設計實例

劉常偉

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

哥斯達黎加32號公路修復與擴建項目位于哥斯達黎加利蒙省，項目全長108km，本項目為舊路改造，原有道路為雙向兩車道，現拓寬為雙向四車道，項目包含路基、路面、橋梁及交通安全設施。

其中，Río Pacure橋起點樁號K99+516.5，終點樁號K99+819.8，橋梁總長303.3m，左幅老橋作加固處理，右幅為新建，新建橋梁共計11跨，橋梁寬度10.6m，橋梁下部基礎為樁基礎、橋墩為薄壁墩，上部為先簡支后連續預應力箱梁，本橋橫跨Río Pacure（巴瓜利）河，河流全長103km，河面較寬，常水位較淺，但由于河流的上游位于山區，落差較大，上游匯水面積較大，在雨季，河流水位容易出現驟漲驟落現象。本橋3#、4#、5#、6#、7#橋墩位于河道中，需修筑一座長24m的鋼便橋才能進行橋墩的施工。

2 水文情況及地質情況

2.1 水文情況

通過河道沿線走訪及查閱水文資料，獲得該河流年水文情況如表1，單位m。

本橋樁基及下部計劃的施工時間為1～4月，根據水文資料施工期內最高水位標高為52.37m，控制便橋橋面的標高為52.37+1=53.37m。

2.2 地質情況

根據地質報告顯示，本河道為卵石地層，且覆蓋較厚，卵石成分為火山巖和玄武巖，巖質較硬，卵石直徑較大。

3 鋼便橋設計

由于本河道地層為卵石地層，巖質較硬，且有孤石存在，鋼管樁難以打入地層，因此便橋基礎采用混凝土擴大基礎。墩身采用鋼筋混凝土薄壁墩，橋臺設計為輕型橋臺，上部采用工字鋼梁。

3.1 橋臺設計

橋臺擴大基礎尺寸為：長6m，寬3m，高1.5m。橋臺墻身寬度為1m，高3.4m，長5m，墻身布置單層Φ16鋼筋網片，間距20cm，橋臺混凝土采用C25號混凝土（圖1、2）。

圖1 橋臺鋼筋設計圖

圖2 橋臺總體設計圖

3.2 橋墩設計

橋墩基礎尺寸為：長6.5m，寬2m，高1.5m，墩身尺寸為：長5m，寬1m，高3m；墩身內布設Φ16鋼筋網，間距20cm，橋臺混凝土采用C25號混凝土（圖3、4）。

圖3 橋墩鋼筋設計圖

圖4 橋墩總體設計圖

3.3 上部結構設計

上部結構主梁采用H40a工字鋼，共13根，間距0.39m，用[12槽鋼對主梁上下進行橫向連接，間距0.5m，以增強橋面整體受力的性能，橋面上鋪設1cm鋼板，鋼板上焊接Φ16的螺紋鋼筋，以增大鋼板的抗滑力，護欄采用直徑48mm鋼管（壁厚3mm）制作，并涂刷紅白相間的反光漆（圖5～7）。

表1

圖5 上部結構示意

圖6 H40工字鋼橫向焊接示意圖

圖7 便橋總體結構示意圖

4 設計驗算

4.1 設計概況

綜合考慮結構可靠性、經濟性及施工工期要求等因素，鋼便橋每跨采用13片H40a工字鋼作為主梁，計算跨徑11.5m，主梁頂面及底面采用[12槽鋼橫向焊接，間距50cm。

4.2 設計參數

跨中最大荷載P=440kN，見5.3荷載取值；計算跨徑L=11.5m；

基礎厚度1.5m，墻身高度：3m；H40a工字鋼每延米67.6Kg；鋼板厚度1cm，寬度4.5m，密度ρ=7850kg/m3；彈性模量E=2.06×105MPa；橫截面積A=86.07cm2；截面抵抗矩W=1.086×103cm3；截面慣性矩I=2.17×104cm4；H40a工字鋼容許彎應力[σw]=145MPa；安全系數C=1.3；H40a工字鋼容許剪應力[τ]=85MPa；

4.3 荷載取值

根據該橋梁實際受力情況，荷載取值如下：

4.3.1 永久作用荷載

永久作用的標準值：工字鋼及鋼板的自重，其他可忽略不計。

4.3.2 可變作用荷載

可變作用的標準值按公路-I級汽車荷載設計，即橋梁計算跨徑小于等于5m時，Pk=270kN；橋梁計算跨徑等于或大于50m時，Pk=360kN；在5～50m之間時，Pk采用直線內插求得，該橋梁計算跨徑為11.5m，即Pk=293kN。

則該橋梁作用總荷載P=P永久+Pk=147kN+293kN=440kN。

4.4 上部結構驗算（圖8）

圖8 單跨便橋受力示意圖

（1）最大彎矩：跨中處

根據便橋設計，采用集中荷載進行驗算：

Mmax=1/4PL=1/4×440×11.5=1265kN

因此，最大彎壓應力：

σmax=Mmax/W=1265×1000/1086=1165MPa；

單根H40a工字鋼最大彎應力σ=σmax×C/13=1165×1.3/13=116.5MPa，根據路橋施工計算手冊查表得其容許彎應力[σw]=145MPa，σ＜[σw]，即滿足抗彎要求；

（2）最大剪力：支座處

Τ=1/2P=220kN

工字鋼最大剪應力τmax=T/A=220kN/86.07cm2=25.6MPa

因此，單根H40a工字鋼最大剪應力:

τ=τmax×1.3/13=2.6MPa，根據路橋施工計算手冊查表得其容許剪應力[τ]=85MPa，τ＜[τ]，即滿足抗剪要求；

（3）最大撓度：跨中處

fmax=PL3/48EI=440×11.53/（48×2.06×105MPa×2.17×104cm4）=0.31m；

（6）創新科技產品：智能家居、AR/VR產品、無人機、機器人、智能穿戴、數字醫療、健康運動數碼、節能環保等新技術、新能源產品等。

因此，單根H40a工字鋼最大撓度變形量f=0.31/13=24mm，查表得其容許變形量[f]=L/400=29mm，f＜[f]，即變形量滿足要求；

4.5 橋梁下部結構驗算

4.5.1 穩定性驗算

一是橋臺驗算。

（1）傾覆穩定性驗算。

抵抗傾覆的穩定系數按下式計算：

K0=M穩/M傾=xΣPi/[Σ(Piei)+Σ(Tihi)]=x/e0

其中：M穩為穩定力矩；M傾為傾覆力矩；ΣPi為作用于基底豎向力的總和；ΣTi為作用于橋墩各水平力的總和；

F土=K1·γ（H+h）2·tg2（45°-φ）

車輛對土的壓力產生的擴散力F1=293×tg（45°-φ）/b

其中，b為車輛的寬度,取2.5m；則，F1=293×0.364/2.5=42.8kN；

即：F總=23.4+72.8=96.2kN

K0=M穩/M傾=G墩×1/（96.2×（H/2+h））

=（（3×1×6+1×3×5）×2.5）×10/（96.2×5）

=1.7

則K0＞K傾=1.5（查表得），即滿足抗傾覆要求。

（2）滑動穩定性計算。

抵抗滑動的穩定系數Kc=fΣPi/ΣTi

其中，f為基礎底面與地基的摩擦系數，查表得f=0.65；

則Kc=0.65×[（3×1×6+1×3×5）×2.5]×10/96.2=0.65×82.5×10/96.2=5.6

則Kc＞K傾=1.3（查表得），即滿足抗傾覆要求。

（3）地基承載力驗算。

f=（G墩+G車）/A=[（6×3×1+5×3×1）×2.5×10+293]/（5×1）=224kPa

即，橋臺處的地基承載力需大于224kPa。

（4）偏心距驗算。

為使恒載基底應力分布均勻，防止基底最大應力σmax與最小應力相差過大，導致基底產生不均勻沉陷和影響橋墩的正常使用，偏心距需處于容許范圍內，驗算如下：

ρ=W/A=b/6；e0=ΣM/N=x/K0

其中：ρ為墩臺基底底面的核心半徑；W為墩臺基礎底面的截面模量，b為基礎寬；A為墩臺基礎底面的面積；N為作用于基底的合力的豎向分力；x為基底重心至偏心方向截面邊緣的距離；ΣM為作用于墩臺的水平力和豎向力對基底形心軸的彎矩。

則，ρ=W/A=b/6=0.5m；

e0=x/K0=1/1.7=0.58m＜1.2ρ=0.6m；即滿足基底偏心距要求。

二是橋墩驗算。

（1）穩定性驗算（抗傾覆）。

①橋面系重量：單跨G1=147kN

橋墩自重：基礎G2=6.5×2.5×1.5×2500=609kN

墩身G3=5×1×3×2500=375kN

②水沖力計算：橋墩受水的沖力Rc=QrFV2/2g

Q為擋水形狀系數，Q=1（矩形為1，流水線為0.75）；r為水容重1000kg/m3；F為擋水面積，F=3m2；V為水流速V=5.5m/s ；g為重力加速度10m/s2

Rc=（1×1000Kg/m3×3m2×5.52）/2×10m/s2=45.4kN

穩定力矩WD=（G1+G2+G3）×3m=（147+609+375）×3=3393kN.M

不穩定力矩WB=Rc×（1+3/2）=113.5kN.M相比較橋墩穩定；

反算臨界水流速:Rc臨=3393/3=1131kN（按便橋墻身高度的1/2處考慮，即1.5+3/2=3m）

臨界流速V2臨=Rc臨×2g/（QrF）=1131×2×10/（1×1000×3）=754m2/s2

即V臨=27.5m/s，因該河最大流速為5.5m/s，

K0=M穩/M傾=G墩*3/113.5=2952/113.5=26

則K0＞K傾=1.5（查表得），即滿足抗傾覆要求。

綜上所述，鋼便橋橋墩穩定性滿足要求。

（2）地基承載力驗算。

f=（G墩+G車）/A=[（6.5×2.5×1.5+5×3×1）×2.5×10+293]/（5×1）=255kPa

即橋墩處的地基承載力需大于255kPa。

（3）偏心距驗算。

為使恒載基底應力分布均勻，防止基底最大應力σmax與最小應力相差過大，導致基底產生不均勻沉陷和影響橋墩的正常使用，偏心距需處于容許范圍內，驗算如下：

ρ=W/A=b/6；e0=ΣM/N=x/K0

其中：ρ為墩臺基底底面的核心半徑；W為墩臺基礎底面的截面模量，b為基礎寬；A為墩臺基礎底面的面積；N為作用于基底的合力的豎向分力；x為基底重心至偏心方向截面邊緣的距離；ΣM為作用于墩臺的水平力和豎向力對基底形心軸的彎矩。

則，ρ=W/A=b/6=6.5/6=1.08m；

e0= x/K0=1.25/30=0.04m＜1.2ρ=1.3m；即滿足基底偏心距要求。