山区高速公路桥梁设计与施工关键问题探析

山区高速公路桥梁设计与施工关键问题探析
摘要随着我国高速公路的迅猛发展,以及西部大开发战略的实施,我国在山区修建的高速公路越来越多。

由于山区复杂的地质地形的影响,山区高速公路桥梁有其自身显著的特点,因而对山区高速公路桥梁设计施工方法的研究具有重要的现实意义。

关键词山区高速公路桥梁;预制结构;现浇结构;应力均匀度系数
1山区桥梁的特性以及桥梁设计施工的总原则
山区高速公路的主要是地形复杂、水系众多,受此影响,路线布设时平纵横三个方面都受到约束,造成平曲线多,平面半径小,纵坡较大等特点。

山区高速公路往往是沿溪展线,路线反复沿河岸交替设线,因此斜弯桥众多由于山区地形多变,地面线横坡陡,导致半边桥和高挡墙多路线跨越众多沟壑,高墩大跨桥多,墩台形式复杂多样地质条件复杂,导致桥梁基础设计施工繁杂。

山区高速公路中除了有较多的大型沟壑需设置桥梁外,小型沟渠更是不计其数,因此结构形式变化多样的涵洞、通道、小桥等小型构造物也是山区高速公路桥梁的一大显著特点。

山区桥梁设计施工几乎涵盖了所有的桥梁类型,桥梁结构自身的安全性需靠可靠的结构计算分析成果和合理的构造处理措施来保证。

山区桥梁设计施工的总原则可以归结为结构安全,使用舒适,经济性好,施工养护容易,造型优美与自然相协调。

2山区曲线预制梁桥预制梁、板布设问题
2.1预制结构桥梁方案拟定时所考虑的一般原则
山区高速公路预制结构桥梁方案拟定时所考虑的一般原则之一:孔跨布设上尽量采用中、小跨径为主,并且上部结构大多采用标准化、装配化的形式。

若遇到特殊情况确实无法设计施工成标准跨径,也应该尽量在一座桥或一个标段的桥梁中选取最少的几种固定跨径长度;原则之二:孔跨布设时应充分考虑跨径与墩高的比例关系。

跨径与墩高的关系按桥梁美学原则,一般应选择比值为0.618~1较经济;原则之三:关于桥梁截面型式的选择方式如在山区高速公路桥梁中,该类桥型一般用于地形相对平缓、填土不高、桥梁总长较短的中、小桥上。

预制梁造价省、施工方便,是中等跨径直梁桥常用的桥型。

但对于曲线梁来说,T梁为开口断面,抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差,曲梁的弯矩作用对下部产生的不平衡力大。

但当曲线桥的弯曲程度较小时,曲线T梁桥采用直梁设计施工,以翼缘板宽度调整平面线形,可减少曲梁的弯扭作用,在一定程度上可弥补T梁受力和施工上的不足。

预制小箱梁桥一般也适用于中等跨径的大、中桥,它施工工艺成熟,整体性好,抗扭能力强。

总之,山区高速公路桥梁设计施工中断面的选择原则归纳如下对于中小跨径桥梁且墩高较低的桥梁一般采用预制板结构。

对于中等以上跨径的桥梁,采用T梁或小箱梁应该从造价、受力性能、施工技术难易程度等方面综合考虑
比较确定。

2.2预制结构桥梁弯桥直梁的分析
当弯道上选用装配式预制结构桥梁时,因各片梁的荷载横向分配系数与平面矢宽有关,若在小半径曲线上套用通用图进行设计施工,则应对其进行必要的结构受力分析。

设计施工时,应注意以下两点:①预制边梁尺寸应与路线平面几何尺寸协调,当平曲线半径较小且跨径较大时,可能造成边梁翼板宽度不能满足其平面矢宽要求。

②当平曲线半径较小,且跨径较大时,外侧边梁平面矢宽较大,外侧边梁可能采用较多的预应力钢束,使得预制梁起拱度边梁与次边梁不一致,将造成现浇行车道板厚度发生变化,设计施工时应予以重视。

当曲线半径R≥100m,跨径L≤30mm时,平曲线对弯矩的影响较小,总扭矩的变化也不大。

而高速公路的平曲线半径均大于100m,曲梁直做是可行的方案。

当曲线角φ≤5°可用直梁布置,当5°<φ≤30°时应考虑计算反力和扭矩时曲线的影响,调整钢筋钢束后,也可用直梁布置。

而高速公路的弯桥一般均可满足φ≤5°的条件,如R=250m,L≤20m;R=300m,L≤25m;R=350m,L≤30m;R=500m,L≤40m等,这些情况按直梁布置,完全满足结构设计施工的要求,只需将翼缘板和护栏部分现浇处理为曲线,即可符合弯桥布设的要求。

3山区预应力混凝土现浇梁桥上部结构应力分析
3.1预应力混凝土现浇梁桥的配束原则
1)预应力混凝土梁桥结构的配束原则为:应选择适当的预应力束筋的型式与锚具型式,对不同跨径的梁桥结构,要选用预加力大小恰当的预应力束筋,以达到合理的布置型式。

避免造成因预应力束筋与锚具型式选择不当,而使结构构造尺寸加大。

2)预应力束筋的布置要考虑施工的方便,也不能如钢筋混凝土结构中任意切断钢筋那样去切断预应力束筋,而导致在结构中布置过多的锚具。

3)预应力束筋的布置,既要符合结构受力的要求,又要注意在超静定结构体系中避免引起过大的结构次内力。

4)预应力束筋的配置,应考虑材料经济指标的先进性,这往往与梁桥体系,构造尺寸、施工方法的选择都有密切关系。

5)预应力束筋应避免使用多次反向曲率的连续束。

6)预应力束筋的布置,不但要考虑结构在使用阶段的弹性受力状态的需要,而且也要考虑到结构在破坏阶段时的需要。

3.2应力均匀度系数ξ
通过系数ξ可以很明确的判定出该预应力结构设计施工的优劣程度。

对于采用C50混凝土的预应力结构,合理的应力取值区间为-2Mpa~16.2Mpa,则中间均值为0.5*(16.2-(-2))=9.1Mpa。

假设,所设计施工的预应力结构在各种外力作用下各个截面的应力值中最小值为σmin最大值为σmax。

则令ξ=|9.1-σmin|+|σmax-9.1|,其中σmin、σmax应满足以下要求,若σmin、σmax值不能满足此要求,则说明该结构配束有误,截面应力有不在应力取值范围的点,需重新调整钢束配置。

ξ的取值范围是0~16.2。

则ξ值小的配束更加合理。

有了应力均匀度系数ξ的定义,在预应力结构设计施工时应力分析的过程中,对各次调束后对应的结构应力状态的优劣就会有一个相对定量的判定在钢束调整后使得所有截面应力达到应力合理取值区间时,调束工作可以判定为合格,若要使所设计施工的预应力结构受力更加合理,则应使应力均匀度系数ξ尽量取较小的值。

4山区高墩桥梁下部柔性高墩的设计施工方法
集成刚度法是指把单层多跨结构,逐跨浓缩为两端具有抗推的弹性支承的单跨结构,从而逐跨解析结构内力。

集成刚度法计算柔性桥墩的主要概念有两点,一是用串联的和并联的弹簧结构来模拟柔性墩及其支座,二是由一端岸墩起逐孔的将若干孔桥梁的总抗推刚度推算出来,称为集成刚度,用以解算全桥的位移和受力。

对于连续梁桥,墩顶橡胶支座可视作水平弹性支承,故桥墩与其支座的集成刚度可认为是串联关系,而各个桥墩之间,由于有共同的上部结构连接因而位移相同受力却各自分担,可认为各个桥墩之间是并联关系。

在桥墩结构计算中,取桥第二联为力学模型,采用集成刚度法进行水平力分配。

下部墩柱水平力主要包括汽车制动产生的水平力和温度变化产生的水平力。

集成刚度法就是通过计算出一联桥墩台各自的刚度以及该联桥的总抗推刚度,通过各墩台自身刚度占该联桥总抗推刚度的比例来分配该联桥的制动力和温度力,以求解各墩台所承受的水平力。

然后通过该水平力求得墩台所承受的最大弯矩,并计算出墩台的竖向力,进行配筋计算和裂缝验算,完成整个墩台的下部结构设计施工。

集成刚度法的主要特点就是,它采用集成刚度和弹性支撑的概念,把各类单层连跨结构的高次超静定解算问题浓缩为一个结点或单跨结构的计算问题,从而使未知量大大减少,运算简易、实用且精确。

用此概念对连续梁桥中各类支座的墩台计算,十分方便。

在应用集成刚度法的具体计算过程中,尤其应该注意在首次水平力计算完毕后,应对各墩台分配到的水平力和桥梁支座摩阻力进行比较,确定是否需要再分配计算。

总之,本章关于山区桥梁柔性高墩连续梁桥下部结构设计施工的计算过程,可对我国山区桥梁同类型结构的设计施工起到了一定的示范和借鉴作用。