包头黄河大桥顶推设计简介

Eg——工地实测弹性模量2.04×106kg/cm2
L下——钢丝下料长度，按下式计：
L下=L计+2δ
1+0.7σje-(μθ+KL计)-0.091]
Eg
δ——钢丝镦头所需长度0.9cm。
L计——钢丝计算长度，按下列两种情况进行计算：
1）当一端为锚板一端为连接器时：
L计=（L+4.5）cm
2）当两端为连接器时：
每联间设有钢梳形板伸缩缝，伸缩量12cm。支座采用可耐低温－35℃的900吨和340吨盆式橡胶组合支座。
钢束种类按受力需要及张拉次序分为先期束和后期束。先期束用于顶推阶段均为直束，采用墩头锚张拉。由于采用逐段预制，逐段顶推的方法，则钢束必须逐段接长张拉。顶板先期束为30束，底板束为20束，均系中心配束，基本上无二次力矩。所谓中心配束就是：先期束的重心与箱梁断面的重心重合。
4.关于箱形断面的抗扭刚度问题：众所周知，箱形断面的抗扭刚度相对于开口形断面而言是很大的，加之外形简洁，目前国内外桥梁常选用它。当工字形截面与箱形截面在截面尺寸及惯矩完全相同时，若外荷不偏心，则二者抗弯能力完全相同，但当偏心受截时，二者的抗扭能力就相差悬殊了。其主要原因是：箱形截面为闭合截面，其抗扭惯矩大，从下列求算抗扭惯矩的公式可知：
设计流量按多年洪峰流量资料延长序列：Q1%=6,300 m3/s，Q0.33%=7,010 m3/s。桥高由通航水位和最高流冰水位控制设计。按1/300或1/100或然率所计桥高，桥孔尺寸基本相同，但前者计算基础埋深稍大。设计流量为7,010 m3/s。因桥位处地质差，不宜过分压缩，冲刷系数采用1.2。桥下所需过水面积2,500 m2。按流冰宣泄及五级通航要求，参照上下游河段已建成的桥梁，桥孔不宜小于60m，包头防汛指挥部要求70孔径。
(三)主梁预制及顶推
为加快进度，预制时采取先浇箱梁底板，后浇腹板、顶板的流水作业法。顺桥向，底、腹板模板的位置为错开一个梁段安置，其目的是：浇注第一梁段腹板、顶板的同时，就可浇渡次一梁段底板，以扩大作业面。原设计由两岸同时向跨中顶推的施工方案。预制场长度因考虑顶推时的平衡重，采用14a。预制箱梁段长除首尾段为7.975m外，余标准梁段为16.25m。梁段划分时，考虑了接缝与主梁主要受力断面错开，以利主梁受力。
当为闭合圆环时
Jd闭=2πr3δ
当为开口圆环时
Jd开=πrδ3
若r=100cm，圆环厚δ=10cm，则二者抗扭惯矩之比：300。π
本桥箱梁在顶推施工中，虽然滑道高差超出容许值，箱梁底板不平（标高差达4.4mm），除个别区段外，箱梁断面受力尚好，说明箱形截面是适应顶推的一种比较好的截面形式。
5.关于顶推时箱梁扭转的计算：本桥未计顶推时箱梁的扭转，仅在使用阶段将纵向弯曲内力乘以大于1的增大系数：汽车乘1.1；挂车乘1.15。从顶推施工的初中看，此系数对于顶推连续梁主梁来说嫌太粗略，且“增大系数”仅考虑于使用阶段的纵向弯曲。事实上，扭转对梁产生的变形和受力是较复杂的，在有的部位可能主要产生钢性转动，即周边不发生变形的扭转；在有的部位则可能主要产生截面歪扭，即截面周边发生变形，亦称畸变。
本区地震烈度为6-7度。
由地质钻孔可知，表层30～40深为第四纪黄河冲积层，离地面40～100m为第三纪湖相沉积层。经化验，地基土为硫酸盐盐渍化土。
除昭君坟河段有几百m长的片麻岩露头外，河底300m内无岩层。
二、桥位与桥型设计
(一)桥位比较及桥孔设计
桥位勘察时对三个桥位进行ຫໍສະໝຸດ Baidu比较。
其中昭君坟、镫口桥位因位置不适，接线长，线形差，拆房和占地多等缺点被否定。最后确定画匠营子桥位。该桥位有位置适宜，接线短，河床顺直，两岸地势较高，洪水可归槽等优点，缺点是河床地质较差，河底300m以内没有岩层。
本桥一般冲刷采用64-1式计算，h=15.2m。局部冲刷按65-1式计算，h=6.41m。
(二)桥型方案的选择
1973年曾对70mT构和65m悬拼连续梁方案进行过详细的比较。二者在建筑高度、养护、外观、施工难易及使用性能方面相差甚微。若每个墩基础均用8φ1.5m钻孔桩，T构所需桩长84m，连续梁所需桩长60m。比较全桥经济指标，连续梁方案少用混凝土4,980m3，少用钢材177吨。然而，基础的不均匀沉降将对连续梁产生附加应力。但经计算，在4cm的相对沉降影响下，连续梁支点弯矩增值不超过10%。当时推荐了连续梁方案。1975年因压缩基本建设，该桥停建。1978年工程再次上马。上级要求1979年10月开工，限期两年完成，在这紧急情况下，设计重新考虑了桥型方案。包头地处严寒地区，一月份平均最低气温-26.9℃。在这样严寒的地区建桥，如何实现冬季施工，缩短工期以保建桥按时完成，是一个具体的问题。因此，为了实现严寒地区冬季施工，为了确保主梁制作的精度和质量，为了减轻劳动强度，为了避免悬拼所需的大型悬吊起重设备，为了摸索新工艺顶推法施工在我国大跨径桥梁上的运用，经研究确定：上部采用三联四孔预应力混凝土顶推连续方案。设计还考虑河槽变迁、五级航道通航的要求、冬春两季流冰宣泄的需要，跨径采用等跨65m。下部由冰压力控制设计，均采用重力式墩台，1～6号墩采用空心沉井，7～12号墩采用8φ1.5m的钻孔灌注桩。
每一联箱梁共分17梁段。由于采用了流水作业法，则底板钢束的张拉只有将次一梁段底板作为传力板。此时墩头锚的张拉螺杆必须加长一个梁段，施工采用φ5高强钢丝制成工具束重复使用。张拉时应满足底板传力所需的锚下局部应力的要求。
全桥12孔共分三联，分联顶推。第1、2联需要采用首尾导梁，第3联吸需首导梁。为拆除2、3联的前导梁，必在5、9号墩附近设置临时支撑。
包头黄河公路大桥顶推设计简介
一、桥址概况
本桥于包头东河区西南10公里的黄河上。该河段属平原区游荡型河流。具有河弯多、河床宽而而浅、比降平缓及河床摆动大的特点。有的河段经过多年淤淘，最后自然裁弯取直。桥位处北岸淘，主河槽有往北移的趋势。南岸淤，河滩宽而浅。
黄河水位及流量，一年内出现两次高峰。据记载27年内历史最大流量5,963m/s。一年内有两次凌期，3月下旬开冻后及11月封冻前。前者流冰严重，最大流冰体积可达450×200×1.5m3，流速1.27m/s，常在急弯浅滩处形成冰坝，拥冰堵塞，造成凌害。为减少凌害，每年都需组织力量炸凌、防凌，迫使强行解冻。造成凌情严重的原因主要是此段黄河流向由南向北，上下游纬度差达5度之多。
高强钢丝（t）
250（311）
-
250(311)
钢材（t）
865
598
1463
混凝土（m3）
6158
17915
24073
每延m材料用量
高强钢丝(kg/m)
309（384）
-
309(384)
钢材（kg/m）
1068
738
1806
混凝土（m3/m）
7.6
22.12
29.72
每平m材料用量
高强钢丝（kg/m2）
26（32）
-
26(32)
钢材（kg/ m2）
89
62
151
混凝土（m3/m2）
0.63
1.84
2047
(二)主梁构造及布束
主梁横断面采用抗扭刚度较大的单箱单室箱形断面。桥面不设三角垫层，车行道横坡由箱梁顶板自斜形成。箱梁混凝土标号除支点梁段为500号外，余均为400号。
横隔梁布置在每孔的支点及跨中，中支点处横隔梁厚1m，跨中为0.3m，端支点处为0.5m。为了方便内模拆卸，除端支点横隔梁与箱梁同时在顶推前制作外，其余均在顶推就位后完成混凝土的浇注。为了确保顶推时箱梁的抗扭刚度，将中支点及跨中处之横隔梁分两次制作。顶推时将槽钢制作的人字撑连接在箱梁壁的预埋钢板上。待顶推就位后再布钢筋并浇注2/3横梁高的混凝土。
本河段水流含沙量大，年平均3.87～8.85kg/m3，日最大含沙量可达62kg/m3。
包头属大陆性气候。年平均相对湿度52%。年平均降雨量322mm。风沙大，年平均最大风带1.8m/s，主要风向NE。年平均最高气温35.7℃，最低气温-26.9℃。土壤冻结深度1～1.75m。10月下旬开始冰冻，次年5月中旬全部解冻。
L计=（L-14）cm
μ、θ、K等参数的意义见“预规”第5.2条。
注：1）式中0.091常数为考虑张拉时的初应力损失（1,019.2kg/ cm2
2）伸长量的计算与实侧的允许误差为：
当钢束长＜25m时为±5%△L计；当钢束长≥25m时为≥±7%△L计；
3）张拉时，实测伸长值与计算值之差均在允许误差范围。
2.关于估束公式的采用：本桥采用弹性理论公式估计钢束的数量：
钢束产生之抗力矩：M抗=T×(e上+K下)=n×f.×σn(e上+K下)
注：混凝土压力中心位置可按需要确定。
n =
式中：M——顶推过程中断面产生的最大弯矩。
K——截面核心距。求顶板钢束时用K上，反之用K下。
e——钢束重心至断面中性轴的距离，求顶板钢束时用e上，反之用e下。
桥面纵坡：0%，横坡1.5%，人行道0.8%。
设计流量：7010m2/s。
设计航道：5级，通航净空5m。
设计洪水频率：按百年一遇洪水设计，三百年一则验算基础。
设计抗震烈度：按8度设防。
两岸引线为III级技术标准，路基宽8.5m，路面宽7m。碴油路面。
部位
项目
上部构造
及支座
下部构造
全桥总计
全桥
材料
用量
F——箱梁计算截面的毛面积。
fa——一束钢（24丝φ5高强钢丝的面积，4.7cm2；
σn——可近似采用0.55σj=8，800kg/ cm2；
上式实际上把预应力梁当着钢筋混凝土梁一样考虑，由钢筋承担拉力，混凝土承担压力，拉、压内力偶组成一个抗力矩与外荷产生的力矩平衡而得。就横断面而言，由于未考虑相反方向预加力的作用，公式似乎比较粗略，但因公式推导的出发点是截面最外边缘应力为零及的取用亦偏安全。从工程实用的观点，此公式概念明确，计算简便，由实际使用可知，公式是可行的。
3.关于顶推过程中不均匀沉降的计算：当顶推跨径较大且设有临时墩时，该项计算万不可忽视。因为不均匀沉降对主梁内力的影响与跨径平方成反比，由下列求支点弯矩的公式可以说明：
M =
式中：K——由主梁支承条件而定的系数。
EI——主梁抗弯刚度。
L——顶推跨径。
因顶推时设有临时墩，使跨径l比使用阶段减少一半，当沉降很小时，也会产生很大的弯矩。本桥考虑临时墩土基的压密及顶推过程中起顶的需要，不均匀沉降量按1.2cm计，由此而增加的纵向弯矩达2,856吨一m。因此，原设计顶推先期钢束数量，顶板由20束增改为30束，底板由14束增改为20束。
当顶推就位后，一部分先期束应拆除，称临时束，一部分留下供使用阶段用，称永久束。后期束有直束和弯束之分。
每跨弯束的布置，跨中在下缘，接近支点在腹板内逐渐上弯，越过支点后逐渐下降，最后锚于邻跨的1/3跨径处。
弯束锚于箱梁腹板的加厚板上，直束布置在箱梁顶、底板上。最长的弯束为108m。施工中，只要管道不堵，穿束的困难就不大。钢束采用国产24丝φ5的高强钢丝，抗拉极限强度R＝16,000kg/cm2。先期钢束采用墩头锚张拉，锚下控制应力为0.7R。先期钢束和后期弯束的管道形成采用锌铁皮，其余采用橡胶抽拔管。
镦头锚钢丝下料要求精度较高，本桥控制为L/3,000～L/5,000。而钢线伸长量却影响着钢丝的下料长度，因此伸长量的计算比弗氏锚抻长量的计算要复杂一些。本桥采用下列公式计算延伸量：
0.7σj[e-(μθ+KL计)-0.091]×(L下-2δ)
△L= Eg
式中:σj——钢丝标准强度16,000kg/cm2
(四)顶推设计中的点滴体会
1.关于弯束的设计：弯束产生的二次力矩较小，并有利于改善支座附近的主拉应力。相对于直束，线型更为合理。所谓预加力产生的二次力矩，是指连续梁为超静定梁式结构，若把预加力当作外力，当外力作用于梁上后，在支点约束处要产生赘余力矩，此赘余力矩就是二次力。设计曾用力法比较了拆除临时墩前、后，因预加力产生的二次力矩：a)二次力矩与初力矩的符号相反；b)拆临时墩前，张拉全部后期束所产生的二次力矩比拆除临时墩后，张拉后期束所产生的二次力矩要大；c)二次力矩的大小与钢束布置的位置有关，从理论上，总是可以寻求一种钢束的线型，使二次力矩为零，这样的钢束布置，国外叫做“无约制”线型钢束。国外顶推连续梁一般都设置弯束。本桥是国内顶推连续梁第一次采用弯束的尝试。笔者认为：从改善受力，以利布束及方便施工，可将束分段切短。弯束在腹板中应尽量靠边布置，以利混凝土浇注。
为减小顶推过程中的主梁内力，主梁前端设20m长的钢桁导梁，每跨跨中设临时墩(见照片1)。在临时墩与永久墩之间设置水平拉索，使之与临时墩共同承受顶推时的水平推力。
三、主梁的设计与施工
(一)技术标准
跨径组合：3×(4×65)＋20m。全长810m。
桥面宽：净9＋2×1.5m。
设计荷载：汽车－20，挂车－100，人群：350kg/ m2。