48-80-48m剛構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)

48-80-48m剛構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)48+80+48m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)研究摘要：跨314省道特大橋是一座跨越深山峽谷的大橋，主跨為(48+80+48)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。介紹該橋主跨的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、分析計(jì)算及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該連續(xù)剛構(gòu)橋是位于高地震烈度區(qū)的高墩大跨鐵路梁橋，此橋的建成將對(duì)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線高墩大跨梁橋具有重大意義。關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)；構(gòu)造；剛構(gòu)墩；設(shè)計(jì)要點(diǎn)1橋位概況石太線跨314省道特大橋位于山西省陽(yáng)曲縣范莊村東南1500m處，斜跨314省道。橋址區(qū)為山間沖淘，沖淘呈“U”型，兩岸淘壁陡立。溝頂?shù)匦纹鸱黄剑酁楣嗄局脖桓采w，地勢(shì)沿東北向西南逐漸降低。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭示，橋址區(qū)表層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積層，上第三系上新統(tǒng)保德組地層；局部溝底為第四系全新統(tǒng)洪積層、人工堆積層，下伏奧陶系中統(tǒng)上馬家溝二段石灰?guī)r。土壤最大凍結(jié)深度101cm，地震動(dòng)峰值加速度為0.20g(VIII),場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)。314省道順溝而行，線路斜跨沖溝及314省夾角約35°。橋址處主跨采用(48+80+48)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。全橋立面布置見(jiàn)圖1。圖1全橋立面布置(單位：cm)2主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1)線路等級(jí)：客運(yùn)專(zhuān)線，近期兼顧貨運(yùn)；⑵正線數(shù)目：雙線；⑶設(shè)計(jì)速度：近期200km/h客貨共線、遠(yuǎn)期200km/h以上的客運(yùn)專(zhuān)線；⑷平面：全橋位于位于R=8000m曲線；⑸線路坡度：一13?4%。；⑹設(shè)計(jì)荷載：“中一活載”設(shè)計(jì),ZK活載驗(yàn)算；⑺地震基本烈度：8度。⑻荷載組合主力組合主力+附加力組合取最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。3結(jié)構(gòu)構(gòu)造3.1上部構(gòu)造連續(xù)剛構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、主墩無(wú)支座；2、施工體系轉(zhuǎn)換方便；3、伸縮縫少，行車(chē)舒適；4、順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度大，受力性能好；5、順橋向抗推剛度小，對(duì)溫度變化、混凝土收縮徐變及地震影響均有利。此橋根據(jù)地形情況采用此種結(jié)構(gòu)型式。該橋主橋全部位于R=8000m曲線上，雙線，線間距為4.6m。橋式為（48+80+48）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，一聯(lián)全長(zhǎng)177.5m（含兩側(cè)梁端至邊支座中心各0.75m）；道碴槽橋面，道碴槽寬9m，碴槽內(nèi)采用2%的雙向排水坡，橋面全寬13m。主梁控制截面梁高分別為：端支座處及邊跨直線段和中跨中處為3.6m,邊跨直線段長(zhǎng)9.75m；中支點(diǎn)處梁高6.4m,平段長(zhǎng)6.5m；梁底按二次拋物線變化。主梁梁體構(gòu)造見(jiàn)圖2所示。圖2梁體構(gòu)造（單位：cm）

為了減少上部結(jié)構(gòu)的自重，增加跨度、減少下部結(jié)構(gòu)的工程量，并使主梁具有足夠的抗扭剛度，主梁采用單箱單室直腹板截面。箱梁主梁構(gòu)造如圖3、圖4所示。圖3中跨中截面（單位:為了減少上部結(jié)構(gòu)的自重，增加跨度、減少下部結(jié)構(gòu)的工程量，并使主梁具有足夠的抗扭剛度，主梁采用單箱單室直腹板截面。箱梁主梁構(gòu)造如圖3、圖4所示。圖3中跨中截面（單位:cm）圖4中支點(diǎn)截面（單位:cm）主梁上部結(jié)構(gòu)為變截面懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁體采用C50混凝土，箱梁截面為單箱單室，箱梁頂寬13m，頂板9m寬道碴槽內(nèi)采用2%的雙向排水坡，箱梁底寬6.4m；頂板厚度35cm至45cm，按折線變化；底板厚度40cm至100cm,按宜線線性變化；腹板厚45cm至55cm、55cm至80cm,按折線變化。橫隔板全梁共設(shè)7道。箱梁在每個(gè)中支點(diǎn)處設(shè)置2道個(gè)厚70cm的橫隔板，該橫隔板與墩壁邊對(duì)齊，以利于傳力；梁端支座處設(shè)置厚145cm的端橫隔板，中跨中合攏段設(shè)置厚80cm厚的中橫隔板。各橫隔板均設(shè)置進(jìn)人洞以便施工和養(yǎng)護(hù)維修。IL全梁共分為75個(gè)梁段，中支點(diǎn)0號(hào)塊及1號(hào)塊12m,—般梁段長(zhǎng)度為2.7m、3.1m、3.5m,合攏段長(zhǎng)2|^邊跨墩頂托架施工段長(zhǎng)3.75m。掛籃、懸灌機(jī)具設(shè)備及工作人員計(jì)算重量為800KN。掛籃灌注最大長(zhǎng)度3.5米，節(jié)段混凝土的最大重量為1617KN。該橋懸灌施工的合攏順序?yàn)橄戎锌绾蠑n再邊跨合攏。中跨合攏后各有1個(gè)4m長(zhǎng)的延伸懸臂段。IL箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，縱向全預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼束采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa,Ep=1.95x10 5MPa。腹板束采用12-705-束，錨下張拉控制力為1300MPa；頂板束采用15-705—束，錨下張拉控制力為1240MPa;底板束采用15-705及17-705一束，錨下張拉控制力為1240MPa及1260MPa。錨固體系采用OVM系列，張拉采用配套YCWB型千斤頂，管道形成采用金屬波紋管成孔，波紋管成孔內(nèi)徑均為D=90mm。全橋共設(shè)204束縱向預(yù)應(yīng)力束，其中中支點(diǎn)頂板2x30束，腹板2x32束，邊支點(diǎn)頂板2x4束，中跨底板34束，邊跨底板2x32束，邊跨延伸段頂板2x2束，中跨合攏段2束?？v向預(yù)應(yīng)力筋布置見(jiàn)圖5。圖5縱向預(yù)應(yīng)力筋布置（單位：cm）梁體頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋采用4-705鋼絞線，張拉控制應(yīng)力R=0.68fpk張拉控制應(yīng)力R=0.68fpk（不包括錨口摩阻損失），伸長(zhǎng)值為76.3mm，采用內(nèi)徑尺寸70mmX19mm的扁形金屬波紋管成孔。錨體系采用的扁形金屬波紋管成孔。錨體系采用BM15-4(P)錨具及配套的支承墊板，張拉體系采用YDC240Q型千斤頂，在箱梁兩側(cè)交替單端張拉。橫向預(yù)應(yīng)力筋只在橫隔板處設(shè)置。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用4>25精軋螺紋鋼筋，其抗拉極限強(qiáng)度為830MPa,張拉控制應(yīng)力為622.5MPa。頂板為張拉端，底板為錨固端，千斤頂型號(hào)為JL785,錨固體系采用JLM-25型錨具，張拉體系采用YC60A型千斤頂；管道形成采用內(nèi)徑O35mm鐵皮管成孔。豎向筋在腹板厚45cm的梁段布置單筋，其它梁段布置雙筋。主梁每個(gè)邊支點(diǎn)各設(shè)2個(gè)TGPZ-IV9000-DX多向活動(dòng)支座及TGPZ-IV6500-ZX縱向活動(dòng)支座。2下部構(gòu)造連續(xù)剛構(gòu)的剛構(gòu)墩與主梁共同承受內(nèi)力，而且結(jié)構(gòu)內(nèi)力按剛構(gòu)墩和主梁的剛度進(jìn)行分配。梁部與下部剛構(gòu)墩合理的剛度比，既可以滿足全橋縱向剛度，又可以改善梁體的內(nèi)力分布，提高材料的受力效率。剛構(gòu)墩縱向剛度不僅要滿足橋梁施工、營(yíng)運(yùn)和穩(wěn)定性等方面的要求，而且橋墩的柔度應(yīng)適應(yīng)溫度的變化，混凝土收縮、徐變以及制動(dòng)力等因素引起的水平位移。剛構(gòu)墩縱向剛度為了充分發(fā)揮墩身的抗彎能力盡量減小，而其橫向剛度，因橋墩承受橫橋向不平衡荷載或風(fēng)載作用，易發(fā)生扭曲、變位，增大其橫向橋的穩(wěn)定性,使其橫向剛度因大一些。為了滿足剛構(gòu)墩的剛度要求，其橫截面采用抗扭性能好，抗推能力強(qiáng)的矩形空心截面。剛構(gòu)墩考慮其8度地震力及動(dòng)力仿真的影響，做了兩個(gè)方案：方案一：梁體橫向沿梁底放坡，縱向直坡；方案二：梁體橫向沿梁底兩側(cè)各外包30厘米放坡，縱向直坡。計(jì)算時(shí)通過(guò)梁高、剛構(gòu)墩橫向墩壁厚度、剛構(gòu)墩縱向墩壁厚度、中跨合攏時(shí)頂力、施工合攏順序及邊跨不同施工方法的計(jì)算分析比較，確定合理的主梁高度、板厚、減小剛構(gòu)墩的溫度內(nèi)力,選取方案二作為剛構(gòu)墩尺寸。該橋剛構(gòu)墩結(jié)構(gòu)尺寸的確定結(jié)合了全橋的靜力及動(dòng)力方面受力的合理性、經(jīng)濟(jì)美觀以及施工方便等因素。該橋剛構(gòu)墩構(gòu)造見(jiàn)圖6。I敏l2K-；12ni-I敏l2K-；12ni-圖6剛構(gòu)墩構(gòu)造（單位：cm）剛構(gòu)墩采用了矩形空心截面。在墩頂處沿橋縱向墩頂寬6.5m，墩壁厚0.7m；沿橋橫向墩寬7.1m，墩壁厚1.25m。主墩沿縱向墩壁內(nèi)外側(cè)為直坡，橫向墩壁內(nèi)側(cè)為1：27,外側(cè)為1：20。墩底以上5m范圍為實(shí)體段。為了便于施工和養(yǎng)護(hù)維修，在主墩墩頂?shù)装迳显O(shè)置一進(jìn)人洞。剛構(gòu)墩采用C50混凝土。兩個(gè)剛構(gòu)墩墩高分別為54m和59m，計(jì)算時(shí)分別劃分為14個(gè)和15個(gè)計(jì)算單元，一般剛構(gòu)墩梁段4m或5m長(zhǎng)。剛構(gòu)墩墩高為60m左右空心高墩，它屬于偏心受壓構(gòu)件，在荷載作用下，墩柱截面上同時(shí)存在著軸向壓力和彎矩。經(jīng)過(guò)內(nèi)力計(jì)算，外力組合,計(jì)算剛構(gòu)墩墩頂（空心截面）、剛構(gòu)墩距墩底5m（空心截面）、剛構(gòu)墩墩底（實(shí)心截面）等截面處的強(qiáng)度、穩(wěn)定性計(jì)算，確定其截面配筋數(shù)量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：截面位置混凝土最大壓應(yīng)力。h（Mpa）最大受壓鋼筋應(yīng)力bg'（Mpa）最大受拉鋼筋應(yīng)力bg（Mpa）剛構(gòu)墩墩頂截面3.6128.4213.51剛構(gòu)墩墩底截面4.9338.4450.01混凝土及鋼筋容許值18.21801804結(jié)構(gòu)分析計(jì)算1整體結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算采用曲線橋分析系統(tǒng)，分別進(jìn)行了施工狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)計(jì)算。計(jì)算時(shí)考慮剛構(gòu)墩墩底固結(jié)。橋面梁?jiǎn)卧?2個(gè)，剛構(gòu)墩單元74?87（墩高54m） ,89?103（墩高59m）,剛構(gòu)墩與主梁不計(jì)自重單元4個(gè)。計(jì)算時(shí)考慮的施工方法為分別以兩個(gè)剛構(gòu)墩為T(mén)形支撐，向兩側(cè)對(duì)稱懸臂施工，先中跨合攏，再懸澆4m邊跨梁段，最后邊跨合攏，完成全橋施工。施工過(guò)程中考慮了掛籃、懸臂段不平衡重、體系轉(zhuǎn)換、風(fēng)力等工況；運(yùn)營(yíng)階段分別考慮了基礎(chǔ)不均勻沉降0.01m；溫度荷載――整體升溫25度、降溫25度、橋面板溫度變化5度；活載及地震力的作用。4.2主梁縱向計(jì)算主要結(jié)果1、結(jié)構(gòu)的整體剛度項(xiàng)目數(shù)值允許值梁體豎向撓度（靜中-活載）1.58E-020.089梁體撓跨比（靜中-活載）5.05E+03梁體下?lián)狭憾宿D(zhuǎn)角（靜中-活載）5.40E-040.002梁體反彎梁端轉(zhuǎn)角（靜中-活載）-5.38E-04-0.001梁體水平撓度0.002580560.022、頻率與周期此梁利用有限元軟件MIDAS進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下表所示。振型自振頻率（Hz）自振周期（s）振型描述第一振型0.6931.444大里程邊墩縱向彎曲振動(dòng)第二振型0.7331.364主梁橫向彎曲振動(dòng)，橋墩橫向彎曲振動(dòng)第三振型0.7581.320全橋縱向振動(dòng)，固定墩縱向彎曲振動(dòng)第四振型1.0050.995主梁橫向彎曲振動(dòng)，橋墩橫向彎曲振動(dòng)第五振型1.3480.742主梁橫向彎曲振動(dòng)，橋墩橫向彎曲振動(dòng)第六振型1.4340.697小里程邊墩縱向彎曲振動(dòng)結(jié)構(gòu)滿足自振周期的要求。3、控制截面計(jì)算指標(biāo)類(lèi)型分類(lèi)混凝土應(yīng)力主拉應(yīng)力主壓應(yīng)力抗裂安全系數(shù)強(qiáng)度安全系數(shù)鋼束最大應(yīng)力比鋼束最大應(yīng)力幅節(jié)點(diǎn)號(hào)21號(hào)支點(diǎn)37號(hào)中跨中10號(hào)邊跨中53號(hào)支點(diǎn)MpaMpa上翼緣下翼緣成橋狀上翼緣混凝土應(yīng)力最大7.049.74.727.12

態(tài)(二期恒載)(Mpa)最小下翼緣混凝土應(yīng)力(Mpa)最大4.767.77.84.67最小主力上翼緣混凝土應(yīng)力(Mpa)最大7.8812.767.187.98-3.0613.961.411.552.170.59431.583最小2.439.212.992.5下翼緣混凝土應(yīng)力(Mpa)最大9.617.619.969.54最小3.693.464.143.59主力+附加力上翼緣混凝土應(yīng)力(Mpa)最大8.6114.258.098.59-3.3414.941.361.381.970.59840.701最小2.348.662.51.98下翼緣混凝土應(yīng)力(Mpa)最大9.768.4910.6810.15最小2.871.312.882.93單線行車(chē)+地震力上翼緣混凝土應(yīng)力(Mpa)最大7.0511.125.597.15-1.6912.911.671.762.410.58911.638最小4.969.494.175.03下翼緣混凝土應(yīng)力(Mpa)最大6.97.398.326.81最小4.595.436.364.49容許值運(yùn)營(yíng)主力混凝土容許應(yīng)力16.75Mpa3.120.11.21.220.6140運(yùn)營(yíng)主力+附加力混凝土容許應(yīng)力18.425Mpa1.8該剛構(gòu)橋的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。3箱梁橫向計(jì)算箱梁橫向計(jì)算時(shí)將箱梁橫向簡(jiǎn)化成帶剛性支承的框架結(jié)構(gòu)，支點(diǎn)在兩腹板下，按《橋規(guī)》要求計(jì)算橋梁縱向活載影響分布寬度，換算成每延米的集中荷載作用在框架頂板上。計(jì)算荷載包括恒載、活載、溫度變化等作用。根據(jù)梁體截面的橫向計(jì)算確定梁體普通鋼筋的配筋。5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)1剛構(gòu)連續(xù)梁橋墩梁固結(jié)局部應(yīng)力分析為了能夠真實(shí)、準(zhǔn)確的模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),對(duì)墩梁結(jié)部分建立了空間有限元實(shí)體模狀態(tài),對(duì)墩梁結(jié)部分建立了空間有限元實(shí)體模型，對(duì)墩梁固結(jié)部位進(jìn)行了單元細(xì)化。模型的邊界條件為對(duì)墩底三個(gè)方向的自由度進(jìn)行剛性約束；荷載條件為采用主力荷載（截面彎矩最大、剪力最大、軸力最大），主力加附加力荷載（截面彎矩最大、剪力最大、軸力最大）六種荷載工況分別進(jìn)行模擬。軸力按均布力（壓強(qiáng)）加到整個(gè)截面上，彎矩?fù)Q算為力偶來(lái)模擬。其有限元模型如圖5所示。ELU-IEHTS局部應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果與縱向計(jì)算結(jié)果基本一致。該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。5.2剛構(gòu)墩溫度內(nèi)力剛構(gòu)連續(xù)梁橋墩梁固結(jié)，是一種超靜定結(jié)構(gòu)，為了防止溫度內(nèi)力過(guò)大，可以采取以下相應(yīng)措施：1.減小剛構(gòu)墩的抗推剛度。剛構(gòu)墩的抗推剛度越小，其溫度內(nèi)力就越小。本次設(shè)計(jì)通過(guò)比較剛構(gòu)墩橫向墩壁厚度、縱向墩壁厚度，通過(guò)梁體縱向計(jì)算，確定合理的剛構(gòu)墩尺寸。該剛構(gòu)墩的縱向剛度為780KN/cm（墩高59m）、993KN/cm（墩高54m）。控制合攏段施工溫度。合攏要求在設(shè)計(jì)合攏溫度下進(jìn)行，勁性骨架把合攏段梁段兩端主梁連接起來(lái)，使整個(gè)主梁連成整體，共同承受荷載。主梁的設(shè)計(jì)合攏溫度是綜合考慮各種因素確定的，在具體施工中，必須計(jì)算實(shí)際合攏溫度與設(shè)計(jì)合攏溫度差產(chǎn)生的位移，使支座釋放該位移后，再進(jìn)行剛性連接，澆筑合攏段混凝土。3剛構(gòu)墩內(nèi)力調(diào)整在中跨箱梁合攏前，對(duì)主梁施加800KN的頂推力。施加頂力完畢后，鎖定勁性骨架，張拉合攏段臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束，澆筑合攏段混凝土。這樣可以使頂推力存在于梁體內(nèi)，有效降低墩身的水平力，對(duì)改善橋墩的受力效果顯著。合攏段施加頂力時(shí)，以頂力為控制指標(biāo)，合攏段兩端水平位移量為校核指標(biāo)，頂力總量800KN，由四臺(tái)千斤頂均勻承擔(dān)，澆筑合龍段混凝土?xí)r，期間逐漸卸配重。5.4梁體撓度控制影響梁體撓度的因素很多，如梁高、合攏段順序、鋼束配束形式、混凝土材料等，尤其后期混凝土的徐變對(duì)梁體下?lián)系挠绊懛浅４蟆１敬卧O(shè)計(jì)通過(guò)以下幾種方式盡量克服混凝土后期的徐變效應(yīng)。增加梁高。設(shè)計(jì)中對(duì)梁高進(jìn)行了比選，