江六高速公路芒稻河特大桥设计

江六高速公路芒稻河特大桥设计
徐亮
【摘要】This paper introduced the structure design,calculation and characteristics of Mangdaohe bridge on Jianglu expressway. At the same time,the design and calculation of anti-collision pier were introduced,the results can be taken as reference for similar bridges design.%文章通过江六高速公路芒稻河特大桥的设计，介绍了此类桥梁的结构设计、计算和特点，并详细阐述了该桥防撞墩的设计与计算，可供类似工程设计参照。

【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2012(009)005
【总页数】4页(P54-57)
【关键词】桥梁工程;变截面连续箱梁;结构设计;防撞墩设计
【作者】徐亮
【作者单位】江苏省交通科学研究院股份有限公司,江苏南京210017
【正文语种】中文
【中图分类】U442.5
江六高速公路是江苏省高速公路网规划中的“横四”——南京经南通至启东高速公路的重要组成部分。

江六高速公路东起江都市仙女镇正谊互通处，与江都至广陵高速公路顺接，西至雍六高速六合东互通处，全长约76.1 km。

芒稻河特大桥主
桥上部结构为65 m+110 m+65 m变截面连续箱梁，单幅桥宽16.9 m，采用单
箱单室设计，主桥下部结构采用直立式墩、柱式墩、钻孔灌注桩基础，所跨河流水流情况复杂，航道较为繁忙，是本项目的控制性工程，设计方案需充分考虑河流水文情况、航道情况及施工方案。

如此宽幅大跨径单箱单室桥梁对设计及施工的要求更为严格，且在此种水文条件下防撞墩设计与计算也是本项目的特点。

1 建设条件及基本情况
芒稻河是淮河入江的重要水道之一，也是南水北调东线的源头，桥位处为扬州市江都区与邗江区的界河。

芒稻河现状为Ⅴ级航道，根据《江苏省干线航道网规划》，规划为Ⅲ级航道，通航净空87.18 m×7.0 m（根椐通航净空论证研究结论），最
高通航水位6.28 m，最低通航水位0.02 m。

现状桥位处河口宽514 m，测时水
面宽209 m，测时水位1.72 m，300年一遇洪水流量为2 296 m3/s，行洪时桥
前最大壅水高度为0.012 6～0.019 9 m。

桥梁中心线与航道中心线交角为96.43°，与水流主流方向的夹角为2.09°，因桥位处航道繁忙，且水面较宽、水深较深，上游造船厂的船舶需通过桥位进入长江，为减少船舶可能对桥墩结构的影响，为保证桥梁结构安全，通航论证报告提出需在17#、18#与19#墩处设置防撞墩。

2 主桥结构设计
2.1 主要技术指标
设计荷载：公路－I级；桥宽：2×净-15.25 m；设计洪水频率：1/300；地震动峰值加速度：0.15 g（采用对应50年10%概率，对应的地震基本烈度为Ⅶ度）。

2.2 结构设计
主桥上部结构为65 m+110 m+65 m变截面预应力砼连续箱梁，因本桥单幅桥宽达到16.9 m，跨径达到110 m，为减少上部恒载重量，便于施工，采用单箱单室截面，单箱底宽8.5 m，两侧悬臂长4.2 m（如图1所示），而作为大跨径、大悬臂单箱单室变截面连续梁桥结构方案的拟定尤为重要，合理的结构方案及预应力配
置可有效地确保结构安全及耐久性。

本桥中支点处箱梁中心梁高6.7 m，跨中箱梁中心梁高3.0 m。

为加强横向稳定在中支点、边支点和中跨跨中处分别设置横隔梁（板），厚度分别为3.5 m、1.8 m和0.3 m。

节段划分示意图如图2所示。

图1 节段布置图
图2 节段划分示意图
箱梁0#块节段长11 m,在支架上浇筑。

两侧各有14个悬浇节段，节段长度为
5×3 m、5×3.5 m和4×4 m，采用挂篮悬臂浇筑施工，每幅主桥共有3个合龙段，即2个边跨合龙段和1个中跨合龙段。

边跨现浇段长8.92 m与8.84 m，在支架
上现场浇筑。

为确保主墩自身的防撞性能，主桥中墩采用直立式墩，四角外形为圆弧，以利水流顺畅，墩身壁厚3.5 m，承台为低桩承台，厚4.0 m，3排计9Ф1.8 m钻孔灌注
桩基础；边墩采用2.5×2.2 m双柱式墩，承台厚2.5 m，双排计6Ф1.5 m钻孔灌注桩基础，如图3所示。

图3 主墩构造图
2.3 结构计算
主要计算参数根据规范进行取值，采用桥梁博士与Midas计算程序分别对平面和
空间进行计算分析，本桥按全预应力混凝土构件进行计算，持久状况极限状态承载能力验算的荷载效应组合设计值（已计入桥梁重要性系数）[1]。

计算中考虑了各个施工阶段和最终运营阶段的最不利组合，计入了预应力2次矩、体系转换以及徐变产生的内力重分布，并考虑了整体温度升降、箱梁梯度温差以及支座不均匀沉降等影响，按全预应力混凝土结构进行设计[2]，通过对结果进行空
间计算，对主桥纵向在持久状况承载能力极限状态与持久状况正常使用极限状态下的应力进行验算，横梁及桥面板的计算过程在此不分别列举。

3 防撞墩设计
芒稻河为规划3级航道，设计阶段与航道管理部门及水利部门多次沟通，既要考
虑到防撞能力，同时需考虑阻水面的影响及航宽的影响，根据航道论证报告的要求，在航宽范围之外合理布设防撞墩位置，船舶撞击力依据文献［3］4.4.2条规定取用。

3级航道对应的船舶撞击力横桥向为800 kN，顺桥向为650 kN。

撞击作用点依
据规范取用在通航水位以上2 m对应的墩身处。

防撞墩样式的选择需结合航道通航净宽、紊流区影响及防撞力等因素综合考虑，本项目为减少对水流的影响，防撞墩由4根Ф1.5 m柱式墩、墩间系梁（1.0×1.2 m）组成，其立、平面布置如图4所示。

图4 防撞墩设计图
3.1 防撞墩实体有限元分析
为考察防撞墩在船舶撞击时的受力机理及应力状况，采用Midas Civil 7.41大型有限元程序建立防撞墩的空间实体模型，分别进行纵向撞击、横向撞击的计算分析，通过在桩侧设置等代土弹簧来考虑下部桩土效应，土弹簧刚度值依据“m”法计算确定。

防撞墩实体模型如图5所示。

图5 防撞墩实体模型
主要的应力计算结果如表1所示。

表1 应力计算结果汇总工况δxmax δxmin δymax δymin δzmax δzmin纵向撞
击 1.2 -0.5 3.2 -1.5 13.7 -11.6横向撞击 4.0 -1.8 1.4 -0.6 16.3 -14.4
防撞墩材料采用C25混凝土，其抗压标准强度为16.7 MPa,抗拉标准强度为1.78 MPa，从表1可以看出，在撞击力作用下，防撞墩3个方向的最大压应力δmax
满足要求，墩身的轴向最小拉应力δmin已经远超出混凝土的标准强度，墩身局部区域已经屈服，屈服段混凝土开裂，结构进入了塑性工作阶段。

3.2 防撞墩的静力弹塑性推倒分析
墩身的实体分析可以把握防撞墩整体的应力分布以及受力状态，但由于结构屈服进入塑性状态，弹性分析已经无法真实反映结构的变形，若采用弹塑性单元进行实体非线性分析不仅费时、费力，且难以模拟普通钢筋的效应。

静力弹塑性分析方法（Push-over Analysis）作为一种结构非线性响应的简化分析方法，可以很好地
弥补上述实体分析的不足，其基本原理是通过对结构施加能近似反映荷载作用的水平静力荷载，逐步增加荷载大小，进行非线性分析，直到结构达到目标位移或者形成倒塌破坏机构。

采用大型有限元分析程序Midas Civil 7.41建立防撞墩模型进行墩身推倒分析，墩身及系梁均采用空间梁单元模拟（如图6所示），考虑到墩身混凝土开裂，墩身
刚度依据规范进行了折减，推倒分析中采用P-M-M铰，钢筋混凝土骨架曲线采用3折线型滞回模型，按照墩身的真实配筋来计算结构材料屈服面。

由于墩身自重并不大，为简化计算，本次分析中未计入结构P-Δ自重2阶效应。

分析得墩身的剪力-位移曲线如图7所示。

图7 组合墩身剪力-位移曲线图
由图7的曲线可以看出，墩身在承受约420 kN的水平力下就已经屈服进入了塑性工作状态，屈服后表现出很强的塑性性能。

从曲线上可查得，对应于横桥向
800kN撞击力作用下,墩顶位移约为12 cm，对应顺桥向650 kN的水平力作用下，墩顶位移约为8.5 cm，这说明防撞墩在横向或纵向撞击力作用下，墩身虽然已经
局部屈服，但变形有限，不至倒塌，有效地保护了主桥的下部结构。

最后，作为比较，给出了单墩模式下的墩身剪力-位移曲线如图8所示。

图8 单墩剪力-位移曲线图
由图8可以看出，单墩情况下墩身在85 kN水平力作用下就早早退出弹性工作状态，且墩顶位移较框架结构大得多，仅在180 kN的水平力下，墩顶位移就接近
60 cm。

可见，设计中对防撞墩结构采用框架体系，结构合理，整体性好，抵抗船舶撞击的能力较强，能对主桥下部结构起到很好的保护作用。

4 结语
随着公路交通与航道建设的迅速发展，公路桥梁跨越规划航道日益增多，设计阶段需兼顾桥梁设计与航道规划，本桥主跨为65 m+110 m+65 m变截面箱梁，桥宽达到16.9 m，根部梁高达到6.5 m，采用单箱单室，悬臂达到4.2 m，减少了上部恒载的重量且便于施工，但主桥纵向设计需兼顾横梁及桥面板设计，3向预应力较大，故设计时顶、底板应力计算及局部应力的计算尤为重要。

确定设计方案，计算时需结合地质情况、河道情况等因素综合考虑，设计时可结合船舶的船型特点及水文情况选择防撞墩形式。

参考文献
［1］JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］. ［2］徐岳，王亚君，万振江.预应力混凝土连续梁桥设计［M］.北京：人民交通出版社，2000.
［3］JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.。