某特大桥主桥结构设计

某特大桥主桥结构设计

摘要:本文以实际工作中某特大桥的建设为例,介绍了大桥主桥结构设计、体系钢束设计、合拢方案等情况,并提出了本桥的设计方案可进一步优化的方向。

关键词:连续刚构三向预应力设计

1 工程概述

某特大桥路线全长4.44km,桥梁全长3.326km,主桥长866m,侧引桥长均为1.23km。引桥全宽30m,大桥主桥全宽33m,大桥高约45m。采用六车道一级公路标准,兼顾城市道路,设计时速为80km。上部结构为预应力混凝土连续刚构,跨径组合为(85+130+85)m和(85+3×130+85)m下部结构为双薄壁墩、钻孔灌注桩。主桥全部位于纵坡为1.8％的单向坡上,桥面横坡为2.1％。

2 大桥主桥结构设计

2.1 构造设计

本桥梁是预应力混凝土结构,桥面横坡由箱梁顶板自倾形成,随着跨径的增大,桥体自重荷载占总设计总荷载的比重相应增大。采用高标号型混凝土,可提高截面的有效承载能力。主梁采用闭口单箱单室薄壁截面形式,可以提高单位面积的截面惯性矩,用顶板内横向预应力束及腹板内竖向预应力筋则可解决长悬臂板的受力问题。因此,主梁

采用C50混凝土的单箱单室箱梁,箱梁底宽7.5m,跨中截面梁高为2. 8m,外悬臂长度4.5m,内悬臂长度4.25m;箱梁根部梁高7.5m,跨中梁高3m,箱梁高度按半立方抛物线变化。

箱梁顶板采用悬浇钢束集中锚固于腹板顶部承托中以减小了顶板厚度,全桥顶板厚为38cm;箱梁腹板在墩顶范围内厚1.5m,其余范围厚度分为0.7m和0.5m两个级别,按线性变化;底板设计一排预应力钢束孔道,因钢束分布较密,跨中底板厚度确定为30cm,支点厚度85cm。

2.2 结构计算

主桥箱梁的设计过程用均采用“预应力混凝土桥梁通用计算程序QJX”进行计算。按全预应力混凝土设计原则进行设计。

2.2.1 上部结构

上部结构采用挂篮分段浇筑,悬臂对称施工。根据施工过程的总结梁段划分主要要受以下因素影响控制。

(1)当前技术水平束缚。主要是受挂篮的最大承载力,路面最大抗倾覆弯矩以及桥的承载力与自重的比值等。

(2)梁段的具体划必须满足布束的构造要求。这主要是因为顶、底板束采用大吨位群锚,都集中锚固在腹板的承托的原因。

(3)梁段的划分应能满足预应力竹道弯曲半径及最小直线段长度

的工程要求;规格在满足条件的情况下应尽量减少。

按上述控制条件,主桥上部结构T构部分采用桁架挂篮悬臂浇筑的施工方法,悬臂长度57m,主桥共有6个单T,每个单T以墩对称每边分成15块,墩顶上部12m为0*梁段桥面单元共划分为220个,非桥面系单元共划分28个(以两刚性中墩为主)。

2.2.2 箱梁内力分析

(1)纵向应力分析。

箱梁纵向内力计算通常分施工阶段和使用阶段两方面进行考虑。根据施工进度计划,按0号块浇筑、悬臂浇筑、张拉、合拢、合拢张拉等不同进行施工步骤划分为65个施工阶段和1个使用阶段。施工阶段需要计算施工过程中各个阶段在各种不同荷载作用下各截面的位移变形、内应力及截面变化六点正应力、主应力和剪应力。施工过程阶段要考虑结构的自重预应力、预应力损失、施工临时荷载、徐变、连续梁合拢后硅收缩、桥面一期荷载等。对于基础变位影响情况可按照不同桥墩相对基础变位0.02m的多种组合进行计算。对于横向布载影响可以通过荷载横向分布系数来进行分析。桥体荷载的计算通常有三种情况。情况Ⅰ:恒载+施工荷载;情况Ⅱ:恒载+汽车荷载;情况Ⅲ:恒载+温度影响力+基础变位影响力+汽车荷载。

(2)横向应力分析。

箱梁横向内力计算可根据载荷作用方向不同可分解为:按横向框架计算的横向弯曲载荷;产生结构纵向挠曲的对称荷载;产生结构刚性扭转和畸变的反对称荷载。

在行进横向弯曲计算时,取单位板宽的横向框架,汽车荷载产生纵向布载的影响则通过荷载横向分布宽度的倒数来计算。本桥箱梁截面基本对称,因此,产生扭转的主要为活载偏载形式。而产生的约束扭转正应力则在总应力中所占比值很小,因此在设计过程中,箱梁的剪力滞效应作用可以一块进行考虑,采用一个大于1的作用系数归入纵向内力及应力方面进行计算。

2.2.3 挠度计算

施工中桥体挠度的计算和控制是悬臂施工方法一项艰巨的设计任务。它涉及因素诸多,需要全盘考虑,除了计算图式外,同时还要考虑混凝土的弹性模量、材料非线性、混凝土的收缩徐变、预应力损失、结构几何非线性、温度变化、钢材松弛、施工设备变形、施工误差、施工荷载、桥墩变形等等,计算非常复杂。

本桥挠度均按施工每一程序后进行计算全部结构各节点的弹性及徐变挠度,主要由阶段施工末累计挠度,使用后收缩徐变挠度(一般5年),汽车荷载挠度引起的各节点施工预拱度等组成。具体情况根据施工中实测值修正上述各计算参数。

3 预应力体系钢束设计

此主桥结构为单箱单室箱形连续刚构连续梁组合体系,主桥采用三向预应力来进行结构设计。纵向、横向预应力钢束分别采用极限强度为1860MPa的Φ15.24mm高强度、低松弛性能钢绞线,配以OVM 型大吨位群锚体系,竖向预应力采用极限强度1028MPa的Φ32mm高强精轧螺纹粗钢筋,锚具采用YGM型锚具。

纵向预应力钢束共分为三种类型:悬浇束、合拢束,备用束。箱梁钢束大部分都采用了平、竖弯相组合的空间曲线。预应力锚下张拉控制应力均采用两端张拉。顶板钢束采用平弯后锚固于腹板承托上,无须增设锚固齿板。腹板束直接锚固于腹板上。

横向预应力钢束采取一端张拉方式,内外侧张拉端交替排列。这种布置使顶板横向预加力能保持均匀性。隔板受力特别复杂,局部应力效应明显,因此,隔板人洞附近竖向及横向设置了同竖向预应力相同的预应力钢筋。

竖向预应力粗钢筋采用布设于腹板内可有效减少主拉应力,进行单边张拉,张拉控制力最大设计为331kN。

4 合拢设计

合拢程序是影响本桥性能的一个关键问题,不同情况的施工合拢