小半徑大跨度體外預(yù)應(yīng)力鋼混組合梁橋設(shè)計(jì)研究

安偉勝

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 石家莊市 050000)

0 引言

伴隨著中國(guó)社會(huì)的快速發(fā)展,城市的持續(xù)擴(kuò)張導(dǎo)致了交通堵塞等城市問(wèn)題的普遍存在。同時(shí),北京這座大都市的影響力使得其周圍的城市也承受了巨大的交通負(fù)擔(dān)。

燕郊鎮(zhèn)位于北京通州區(qū)以東,是北京上班通勤的重要樞紐,也是河北通往北京的“西大門”。近年來(lái),隨著燕郊鎮(zhèn)人口增多,商業(yè)迅猛發(fā)展,燕郊鎮(zhèn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)人口增多,交通樞紐改造面臨更高要求。

1 工程概況

燕郊西出口改建工程位于三河市燕郊鎮(zhèn)西部燕郊鎮(zhèn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū),項(xiàng)目以通燕高速、G102為主線,通過(guò)設(shè)置8條匝道及2條環(huán)島路(南環(huán)島路、北環(huán)島路)對(duì)既有簡(jiǎn)易環(huán)島進(jìn)行改造。

由于場(chǎng)地十分狹窄,包括改造主線、8條互通匝道、2條環(huán)島輔路在內(nèi)的11條道路主要占地區(qū)域僅約為9×104m2。匝道路線平曲線半徑小,跨越道路匝道縱坡大,在此困難線形上布設(shè)橋梁密集。其中,D匝道展線最為困難,主要疏導(dǎo)河北方向車輛,通過(guò)燕順路進(jìn)入燕郊北部。

D匝道以橋梁方式先后分別跨越環(huán)島南路、A匝道、通燕高速、B匝道、C匝道、E匝道、環(huán)島北路、H匝道,以高架橋形式逐漸與燕順路合并接地,具體見(jiàn)圖1。

圖1 互通方案布置圖

2 跨線橋設(shè)計(jì)

項(xiàng)目所在區(qū)域地震烈度較高,地震動(dòng)峰值加速度為0.3g,且項(xiàng)目所處位置對(duì)快速恢復(fù)交通的需求非常迫切,橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用施工快速、整體性好、抗震性能優(yōu)、彎坡斜適應(yīng)性強(qiáng)的鋼混組合箱梁[1]。由于橋梁跨越道路凈空受限,主梁建筑高度適當(dāng)降低,加之橋梁所在路線平曲線半徑小,主梁剛度及受力狀態(tài)均處于不利工況。為了提高主梁剛度,在主梁箱體內(nèi)施加體外預(yù)應(yīng)力,鋼束采用環(huán)氧涂層鋼絞線成品索,增加主梁抗彎、抗剪承載力,同時(shí)增加主梁的總體剛度,改善小半徑、大跨度條件下的受力狀態(tài)。

2.1 跨路橋梁方案擬定

該項(xiàng)目互通匝道布置空間極為有限,且場(chǎng)區(qū)道路交織較多,為了同時(shí)跨越多條道路,D匝道需要快速提高縱斷跨越道路,然后迅速落地,并實(shí)現(xiàn)不同道路間交通流的轉(zhuǎn)向。因此,匝道線形指標(biāo)較低,匝道平曲線最小半徑為60m,最大縱坡為3.8%。

D匝道橋第二聯(lián)橋梁同時(shí)跨越環(huán)島南路、A匝道、通燕高速和B匝道,平曲線半徑60m。根據(jù)通燕高速保通要求,此處不允許斷交。匝道在第二聯(lián)處與通燕高速交叉角約61.7°,考慮臨時(shí)墩置于通燕高速硬路肩方案,橋梁上部結(jié)構(gòu)采用35m+54m+35m鋼混組合箱梁。D匝道橋第三聯(lián)橋梁同時(shí)跨越C匝道、E匝道、環(huán)島北路,平曲線半徑90m,根據(jù)地方要求,此處E匝道及環(huán)島北路亦不允許斷交。匝道在第三聯(lián)處與E匝道、環(huán)島北路交叉角分別約為46.4°和34.0°,橋梁上部結(jié)構(gòu)采用35m+54m+35m鋼混組合箱梁。D匝道橋第五聯(lián)橋梁同時(shí)跨越H匝道、燕順路,平曲線半徑60m,根據(jù)地方要求,此處燕順路不允許斷交;匝道在第五聯(lián)處與燕順路交叉角約36.5°,橋梁上部結(jié)構(gòu)采用30m+35m+45m+35m鋼混組合箱梁。

綜合安全、經(jīng)濟(jì)、美觀等要求,橋墩采用矩形柱式墩,墩柱刻槽,結(jié)構(gòu)尺寸以滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定要求為原則,墩身的水平力按集成剛度法計(jì)算。橋臺(tái)則根據(jù)所處位置、地形、地質(zhì)、臺(tái)后填土高度及跨徑等情況,通過(guò)計(jì)算選用壁式臺(tái)。根據(jù)具體地質(zhì)情況,墩臺(tái)基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁徑依據(jù)跨徑及墩臺(tái)高度情況確定,樁長(zhǎng)依據(jù)樁頂反力和地質(zhì)情況計(jì)算確定。同一橋梁盡可能減少樁柱類型,以方便施工。

2.2 鋼混組合梁構(gòu)造尺寸

主梁截面充分發(fā)揮鋼和混凝土的受力特點(diǎn),下部主要由開(kāi)口鋼箱梁承受拉力,上部主要由混凝土橋面板承受壓力,鋼箱梁和橋面板之間采用剪力釘連接。D匝道橋鋼箱梁底部寬7.5m,組合梁結(jié)構(gòu)中心線處鋼梁高1.8m,橋面板為變截面,厚度為0.3～0.4m,主梁結(jié)構(gòu)中心線處全高2.2m,橋面板寬10.5m。

第二聯(lián)預(yù)制鋼梁共分5個(gè)制作段,分別為(29+24+30+16+25)m;

第三聯(lián)預(yù)制鋼梁共分5個(gè)制作段,分別為(21+28+26+28+21)m;

第五聯(lián)預(yù)制鋼梁共分7個(gè)制作段,分別為(20+20+15+20+25+20+25)m。

鋼梁采用工廠制作、焊接的方式,試拼無(wú)誤后分段運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),現(xiàn)場(chǎng)在鋼梁拼接口處設(shè)置臨時(shí)支撐,吊裝鋼梁后,采用高強(qiáng)螺栓連接形成連續(xù)鋼梁,在箱梁間及翼板處采用臨時(shí)支架搭設(shè)模板澆筑橋面板混凝土,待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉混凝土體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力,拆除臨時(shí)支撐完成體系轉(zhuǎn)換,安設(shè)橋側(cè)混凝土護(hù)欄及澆筑橋面鋪裝后成橋。

2.3 預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)

該橋共設(shè)置三聯(lián)鋼混組合梁結(jié)構(gòu),均為跨路需求。由于場(chǎng)地及匝道線形限制,跨路處橋梁主梁高度需極大限度降低。為了改善結(jié)構(gòu)受力,該橋鋼混組合梁墩頂負(fù)彎矩區(qū)采用橋面板內(nèi)施加體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的方式減小負(fù)彎矩區(qū)橋面板受拉;主梁箱體內(nèi)施加體外預(yù)應(yīng)力以增加主梁抗彎、抗剪承載力和剛度。

3 鋼混組合梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

計(jì)算采用Midas Civil進(jìn)行模擬,組合主梁采用雙單元模擬,上層為橋面板結(jié)構(gòu),下層為鋼主梁結(jié)構(gòu)[2]。模擬施工順序?yàn)?(1)鋼梁架設(shè);(2)施加橋面板濕重;(3)橋面板剛度形成(張拉預(yù)應(yīng)力);(4)撤掉臨時(shí)支撐;(5)施加二期恒載;(6)橋面板虛擬單元;(7)施加車輛荷載;(8)收縮徐變10年。

3.1 35m+54m+35m鋼混組合梁計(jì)算

圖2所示為鋼混組合梁模型。

圖2 35m+54m+35m鋼混組合梁模型

鋼主梁抗彎承載能力驗(yàn)算:鋼梁在基本組合下的正應(yīng)力分布。列出模型最不利基本組合下的應(yīng)力結(jié)果,見(jiàn)表1、表2及圖3～圖6。結(jié)合受力情況,體外預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)束,使正應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻,滿足規(guī)范要求。

表1 基本組合下主梁應(yīng)力匯總表

表2 折算應(yīng)力表

圖3 最不利組合鋼梁上翼緣正應(yīng)力(單位:MPa)

圖4 最不利組合鋼梁下翼緣正應(yīng)力(單位:MPa)

圖5 最不利組合剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

圖6 最大豎向位移(單位:mm)

腹板抗剪承載能力驗(yàn)算:鋼梁在基本組合下的最不利基本組合,墩頂斷面最大剪應(yīng)力為110MPa,跨中斷面最大剪應(yīng)力為27MPa,滿足規(guī)范要求。

體外預(yù)應(yīng)力提升鋼混組合梁整體剛度較為明顯,橋梁在活載作用下的中跨跨中最大豎向撓度為8mm

3.2 30m+35m+45m+35m鋼混組合梁計(jì)算

圖7所示為鋼混組合梁模型。

圖7 30m+35m+45m+35 m鋼混組合梁模型

鋼主梁抗彎承載能力驗(yàn)算:鋼梁在基本組合下的正應(yīng)力分布。列出模型最不利基本組合下的應(yīng)力結(jié)果,見(jiàn)表3、表4及圖8～圖11。結(jié)合受力情況,體外預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)束,使正應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻,滿足規(guī)范要求。

表3 基本組合下主梁應(yīng)力匯總表

表4 折算應(yīng)力表

圖8 最不利組合鋼梁上翼緣正應(yīng)力(單位:MPa)

圖9 最不利組合鋼梁下翼緣正應(yīng)力(單位:MPa)

圖10 最不利組合剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

圖11 最大豎向位移(單位:mm)

腹板抗剪承載能力驗(yàn)算:鋼梁在基本組合下的最不利基本組合,墩頂斷面的最大剪應(yīng)力為72MPa,跨中斷面的最大剪應(yīng)力為60MPa,滿足規(guī)范要求。

體外預(yù)應(yīng)力提升鋼混組合梁整體剛度較為明顯,橋梁在活載作用下的中跨跨中最大豎向撓度為10mm

4 結(jié)論

以燕郊西出口改建項(xiàng)目中狹小空間橋梁為研究對(duì)象,分析總結(jié)跨路小半徑、大跨度橋梁的設(shè)計(jì)方案,得出以下結(jié)論:

(1)對(duì)于空間有限且需要跨路的橋梁,鋼結(jié)構(gòu)主梁適應(yīng)性強(qiáng),抗震性能好,可極大降低既有交通的影響。

(2)結(jié)合鋼混組合梁受力情況,通過(guò)調(diào)試體外預(yù)應(yīng)力鋼束彎起位置和張拉強(qiáng)度,主梁受力較為均勻,提升鋼混組合梁整體剛度效果較為明顯。對(duì)于小半徑、大跨度橋梁,可在墩頂負(fù)彎矩區(qū)采用橋面板內(nèi)施加體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的方式減小負(fù)彎矩區(qū)橋面板受拉;主梁箱體內(nèi)施加體外預(yù)應(yīng)力,以增加主梁抗彎、抗剪承載力和主梁剛度。