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          预应力混凝土连续刚构桥设计特点
          2010-05-21 

          1 工程概述

              来宾市红水河二桥北接兴宾北路,南接规划兴宾南路,是横跨来宾市区南北的重要交通干道。主桥上部构造为110m+190m+110m三跨预应力混凝土连续刚构,引桥上部构造为2×40m预应力混凝土连续梁桥。全桥分左、右幅结构各自独立,主桥桥墩最高34.5m。该桥正交跨越红水河,桥位段河流常年水位在6O~71m左右,枯水位一般在53~54m之间。桥位下伏基岩为石炭系马平组燧石灰岩、硅质灰岩。桥址地处亚热带,过渡的亚热带季风气候带。年平均气温为28.5℃,极端最高气温为39.5℃,极端最低气温为-3.3℃。

              2 主要技术标准

              (1)道路等级及计算行车速度:城市主干路II级,计算行车速度50km/h。

              (2)荷载:由于主跨为190m,超出了《城市桥梁设计荷载标准》(cJJ 77-98)适用范围,故采用公路I级荷载。人群:315kN/m2

              (3)桥宽:2×(0.25m人行道栏杆+2.Om人行道+3.25m非机动车道+7.75m机动车道+O.5m防撞栏杆),桥面宽度为27.5m,双向4车道,远期规划划线调整为双向6车道。

              (4)地震烈度:区域震动反应谱特征周期为0.35s,地震动峰值加速度小于0.05g,相当于地震烈度6度,按7度构造设防。

              (5)通航标准:航道等级内河Ⅲ级,双向通航,有效通航净宽不小于130m,净高不小于10m,最高通航水位按10a一遇洪水位。

              (6)桥面纵坡及竖曲线:桥面纵坡3.2%,竖曲线最小半径5000m 。

              (7)设计基准期100a,设计安全等级一级。

              (8)防洪标准:按百年一遇设防,H1/100=83.39m。

              3 总体设计

              桥位处于来宾市区,具备相对较好的运输条件,桥型方案设计过程中,力求体现技术先进可靠、经济合理适度、施工方便可行、使用安全耐久、人文景观协调的原则,并结合初步设计专家评审意见,主桥选择连续刚构桥方案,桥跨布置以施工安全可靠为中心,引桥采用一次落架的预应力混凝土连续箱梁桥方案。桥跨布置图见图1。
           


           


              4 主桥结构设计

              4.1 箱梁构造设计

              上部结构为预应力混凝土连续刚构箱梁,箱梁根部梁高10.5m,跨中梁高3.5m,顶板厚26cm,底板厚从跨中至根部由40cm变化为150cm,腹板从跨中至根部分3段采用50,70,lOOcm三种厚度,箱梁高度和底板厚度按1.5次抛物线变化。箱梁典型断面见图2。箱梁顶板横向宽13.5m,箱底宽7.5m,翼缘悬臂长3m。箱梁0号节段长15m(包括墩两侧各外伸2m),每个悬浇“T”纵向对称划分为21个节段,梁段数及梁段长从根部至跨中分别为6×3.5m、5×4.0m、10×4.5m,节段悬浇总长87.5m。悬浇阶段最大控制重量2550kN。边中跨合拢段长均为3m,边跨现浇段长13.5m。箱梁根部设4道厚0.5m的横隔板,中跨跨中设1道厚0.6m的横隔板,梁端横隔板厚180cm。箱梁采用C60混凝土。
           


           

          4.2 箱梁预应力体系
          结合结构分析和工程经验。笔者对主桥上部结构按全预应力混凝土构件设计,采用三项预应力,纵向预应力钢束分为愎板束(F1-F20)、顶板束(T1-T38)、顶板预留束(TY)、底板束(B1-B20)、合拢段顶板连接束(T39-T42、L)及底板预留束(BY)6类。纵向预应力采用Φj15.24mm的预应力钢绞线(ASTM、A416-98,标准强度fpk=1860MPa),预应力束布置图见图3。
           

          图3 纵向预应力束布置立面图
           

              横向预应力采用Φj15.24mm的预应力钢绞线,BM15~3扁锚体系,设计单根张拉吨位169kN,采用单端张拉方式.竖向预应力钢筋采用公称直径32mm的精轧螺纹粗钢筋,0号~9号梁段每侧腹板各按2根布置,支承端两侧各按3根布置,其余梁段按单根布置。设计张拉吨位543kN。采用梁顶一端张拉方式,相应锚具采用YGM32型。纵向预应力束管道采用预埋塑料波纹管成孔,真空辅助压浆工艺。

              4.3 下部构造

              主桥桥墩墩身采用两端刚性固接的钢筋混凝土双柱式柔性墩,纵向由两片薄壁墩组成,每片薄壁墩的下段为矩形实心截面,上段为矩形空心截面,横桥向宽7.5m,顺桥向厚2.2m,两片墩间净距为6.6m,墩身外侧距离11.0m,墩身构造图见图4。主墩基础为扩大基础,完全嵌固于基岩中,厚度为5m。主引桥间过渡墩为钢筋混凝土墙式墩、桩基础,承台厚3m,桩基为单排桩2根,桩径2.5m,嵌入微风化基岩2.5m以上。主桥墩身采用C50混凝土,过渡墩墩身采用C30混凝土。
           

          图4 主墩一般构造图


              5 结构计算

              5.1 主桥纵向受力计算

              主桥施工及运营阶段的纵向受力计算采用《桥梁博士V3.03》主算,《公路桥梁结构设计系统GQJS v9.2》校核计算。施工流程为:下部结构施工完成后,在墩旁托架上浇筑0号块,其余块件(除合拢段及边跨现浇段外)均以挂篮悬臂对称浇筑,并张拉各阶段预应力钢束,直至最大悬臂;然后按先边跨后中跨的顺亭依次合拢;最后进行桥面系施工。按此流程逐阶段计算结构各截面内力、应力和位移,每个悬臂的施工包括挂篮就位、梁段浇筑、张拉预应力及挂篮前口等4个子阶段。成桥运营计算包括恒裁、活载、支点沉降及口度等工况,按新规范进行最不利荷载组合。

              计算参数:合拢温度为15℃,体系升温22℃,体系降温18℃,箱梁顶板升温15℃及地板降温8.8℃。不均匀沉降按20mm计算。

              计算结果:在最不利荷载组合下,箱梁上缘最小应力为压应力1.06MPa.箱梁上缘最大应力为压应力18.4MPa;箱梁下缘最小应力为压应力1.41MPa,箱梁下缘最大应力为压应力12.9MPa。计算表明。主梁截面抗裂验算、抗压验算、承载能力强度验算等均满足规范要求。

              5.2 主桥横向计算

              箱梁横向按框架计算,分别取根部、1/4L以及跨中断面建立计算模型。活载按最不利情况分别在顶板跨中和挑臂根部布载计算内力。经计算,横向预应力采用Φj15.24mm的预应力钢绞线,BM15-3扁锚体系,设计单根张拉吨位169kN,采用单端张拉方式。

              6 设计特点

              从上世纪70年代开始,连续刚构桥在我国桥梁界得到推广,跨径越来越大。结构体系构造措施日趋合理完善,该桥的主跨跨径和桥梁长度已在国内同行业中处于前列。从已建连续刚构桥使用运营情况来看,病害不时出现。主要是主跨跨中的下挠,以及存在一些裂缝,尤以斜裂缝为普遍,虽然不至于影响结构正常使用,但裂缝的长期存在必将影响结构的耐久性能。笔者根据业内资料分析,在设计中采取了相应对策:

              (1)适当延长箱梁节段施工周期以减小混凝土后期徐变。规定所有预应力施工都应该在箱梁混凝土养护龄期不小于5d进行,每个节段的完整施工周期为10d。

              (2)增大跨中预拱度的设置。影响梁的挠度因素较多,且有不确定性及长期性,因此收缩、徐变完成按10a考虑。

              (3)正确布置预应力束。尤其是弯起束以确保有效的预应力。该桥设计中从根部到接近跨中都设置了弯起预应力束,且针对布置下弯束和不布置下弯束两种情况进行了对比计算,计算表明布置了下弯束后可有效减小截面的主拉应力,提高箱梁斜截面的抗剪承载力。

              (4)中跨跨中设置了l道厚0.6m的横隔板,能有效抵抗底板纵向预应力束产生的径向力,避免跨中底板产生纵向裂缝。

              来宾红水河二桥是目前国内市政工程中的特大型连续刚构桥梁。通过先进的计算分析和有关的课题研究,精心设计,努力创新,使该桥上下部结构尺寸合理、比例协调,全桥气势宏大,庄重沉稳又不失轻盈美观,符合安全、经济、实用、美观的原则,现正在施工建设之中。


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