小半徑橋梁橋型比選案例分析

Word文檔小半徑橋梁橋型比選案例分析近年來(lái)，在國(guó)家不斷加大對(duì)西部投資開發(fā)的大環(huán)境下，西部交通的各干線項(xiàng)目加速進(jìn)展，但要發(fā)揮干線項(xiàng)目預(yù)想的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，就需要在干線項(xiàng)目修建時(shí)，考慮建設(shè)肯定量的與重要城鎮(zhèn)和旅游景點(diǎn)相連的連接支線。主要是在滿意一定量的最大通行力量基礎(chǔ)上，通道要"通'、"順'，并且由于干線運(yùn)輸力量的升級(jí)間續(xù)完成，造成對(duì)連接支線的大量緊急需求，每條連接支線工期、造價(jià)的掌握也就成為其重要的考核指標(biāo)。在處理連接支線上的橋梁方案時(shí)，也要考慮在承載力量"夠用'的基礎(chǔ)上，盡可能的多考慮一些"通'、"順'以及工期與造價(jià)的平衡問(wèn)題。連接支線中由于不追求線形、指標(biāo)會(huì)消失許多小半徑橋梁，下面將本人參與的一個(gè)高速大路干線項(xiàng)目中連接線上一座橋梁方案比選的方法以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)討論簡(jiǎn)潔概括。

橋梁概況及方案比選西部某高速大路干線連接線上某橋是該連接線的主線橋，本橋所在路段推舉方案（以下簡(jiǎn)稱K線方案）為，線位位于緩和曲線長(zhǎng)LS=40m，半徑R=35m，緩和曲線長(zhǎng)LS=25m的平曲線內(nèi)，縱坡為4.7%，橫坡為5%。橋梁主要尺寸及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：全寬-10.4m，凈寬-9.4m，現(xiàn)澆梁高125cm，瀝青混凝土鋪裝厚10cm，設(shè)計(jì)車道數(shù)根據(jù)兩車道計(jì)算，7度設(shè)防地震烈度。(K線方案如圖1：路線方案示意圖)

1.1橋位總體方案定性比選

在項(xiàng)目初期考慮到K線方案的半徑較小，增加了一個(gè)擴(kuò)大半徑后的方案進(jìn)行比較。首先用定性比較的方法，對(duì)增大半徑的方案與K線方案進(jìn)行比較。橋梁所在路段有舊路，舊橋橋位在本橋兩方案上游，舊路為28m半徑路段中以1～8m小橋跨越本溝，兩方案溝底處縱坡均為12.5%。將本路段圓曲線半徑加大后形成一個(gè)圓曲線半徑為55m的路線方案（以下簡(jiǎn)稱55m半徑方案），本路線方案為半徑增大的極限，如連續(xù)擴(kuò)大圓曲線半徑，工程量會(huì)明顯多于K線方案且實(shí)施難度會(huì)大幅增加。K線方案與55m半徑方案在平衡工期與造價(jià)之后，定性比較如下：

⑴由于本路段是受縱坡掌握的持續(xù)上坡路段，根據(jù)K線方案橋梁段前后已接近極限縱坡。假如根據(jù)55m半徑方案實(shí)施勢(shì)必會(huì)造成橋梁縱坡增大。經(jīng)過(guò)測(cè)算，路線每削減10m縱坡要抬高0.656%，而假如半徑加大到55m，路線會(huì)至少減少20m，縱坡會(huì)達(dá)到6%左右，于結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)難度、施工難度與工期都會(huì)有較大影響。

⑵55m半徑方案的線位在K線方案過(guò)溝位置的下游方向約26m處，K線方案布跨選用15m跨徑，需要4跨，平均墩高約為10.3m，而55m半徑方案選用13m跨徑，需要5跨，橋墩處對(duì)應(yīng)填土高比K線方案增加3.25m左右，平均墩高約為13.55m。雖然55m半徑方案較K線方案路線長(zhǎng)度會(huì)削減20多m，但是由于提高了路線指標(biāo)，甩開舊路路基路段的造價(jià)會(huì)大幅提升。在這部分增加的造價(jià)比較下，因削減路線長(zhǎng)度而削減的工程量幾乎可以忽視不計(jì)。橋梁工程中，55m半徑方案橋墩墩身造價(jià)比K線方案提高約31.5%，而上部構(gòu)造并不會(huì)由于增大路線半徑的同時(shí)，減小橋面面積而使造價(jià)減少（橋長(zhǎng)反而增加了），本方案也不能使用統(tǒng)一模版預(yù)制上部梁板以削減工期。

綜上所述，經(jīng)過(guò)定性比較，增大半徑的方案對(duì)于本座橋梁來(lái)說(shuō)不僅不會(huì)節(jié)省預(yù)算，而且會(huì)延長(zhǎng)工期；另一方面，K線方案中的35m半徑圓曲線，以"通'、"順'的連接支線在做好其他行車平安保障措施的基礎(chǔ)上，線型指標(biāo)是完全可以接受的。

圖2：邊梁翼緣板及現(xiàn)澆層平面變寬示意圖

圖3：橋型推舉方案立面圖

1.2橋型方案比選

針對(duì)K線方案，還應(yīng)進(jìn)行不同橋型方案比選。

1.2.1上部結(jié)構(gòu)比選

鑒于橋梁所在路線圓曲線半徑較小，相對(duì)來(lái)說(shuō)使用13～15m跨徑橋梁最為合適。這主要考慮了三個(gè)方面的因素。

⑴在路線線型為小半徑的狀況下，如采納彎橋直做的預(yù)制結(jié)構(gòu)，平曲線型由護(hù)欄在外側(cè)調(diào)整實(shí)現(xiàn)（方案示意圖見(jiàn)圖2），考慮到懸弧差會(huì)依據(jù)跨徑增大而增大，若懸弧差較大則會(huì)造成材料鋪張以及線型不順暢，故跨徑不宜過(guò)大，且本橋主跨跨徑不受河道與流量的制約。

⑵若采納現(xiàn)澆箱梁作為上部構(gòu)造，跨徑越大在跨中位置的形心距相鄰兩橋墩臺(tái)理論支撐點(diǎn)連線的距離（形心位置大致等同橋梁中心線位置，如圖4中跨中截面橋梁中心線到橋墩中心線的距離）也會(huì)越大，對(duì)抗扭剛度會(huì)有更高要求，造成造價(jià)增大，跨徑過(guò)小又會(huì)造成下部材料鋪張。

⑶采納現(xiàn)澆連續(xù)箱梁時(shí)，隨著小半徑橋梁跨徑的增大，則箱梁勢(shì)必需要使用預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)抗彎力量。對(duì)于本路線方案，抗彎預(yù)應(yīng)力索由于根據(jù)曲線布置，橋梁?jiǎn)慰缈鐝皆酱?，其產(chǎn)生的徑向分力越大，則對(duì)抗扭性能產(chǎn)生不利影響越大，依據(jù)小半徑橋梁特點(diǎn)盡量降低梁高，并且盡量減小抗彎扭剛度比（即減小抗彎剛度，增大抗扭剛度）；同時(shí)如現(xiàn)澆連續(xù)箱梁跨徑過(guò)大還要考慮采納獨(dú)柱偏心墩，用以平衡恒、活載偏心作用而導(dǎo)致的扭矩增大、翹曲形變與外側(cè)腹板彎扭的耦合效應(yīng)，由于兩者都會(huì)非線性增大、翹曲形變也會(huì)引起翹曲正應(yīng)力并伴隨剪應(yīng)力消失以及雙支座時(shí)可能產(chǎn)生的半徑內(nèi)側(cè)支座脫空的現(xiàn)象。綜合考慮上述問(wèn)題后，曲線橋的跨徑最好不要過(guò)大，以15m跨徑最為相宜，而更好的方法就是盡可能采納一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，避開使用預(yù)應(yīng)力，同樣這種方法也是以跨徑不能過(guò)大為前提的。

綜上所述，本橋上部結(jié)構(gòu)擬定兩個(gè)方案：方案一：513m預(yù)制鋼筋混凝土空心板方案，U臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)，樁柱式橋墩；方案二：415m一般鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁方案，U臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)，固結(jié)獨(dú)柱墩、獨(dú)柱墩、樁基礎(chǔ)（方案二見(jiàn)圖3）。

1.2.2上部方案比選

依據(jù)前文的論述，這兩個(gè)上部結(jié)構(gòu)方案本身是有理論依據(jù)的，并且是有比較價(jià)值的。詳細(xì)比較如下：

⑴方案一特點(diǎn)由于全橋都位于平曲線段上，因此采納主梁調(diào)整預(yù)制長(zhǎng)度，如圖1所示，空心板翼板的寬度依據(jù)曲線半徑確定預(yù)制長(zhǎng)度；由于每跨梁長(zhǎng)的不同，所以在結(jié)構(gòu)計(jì)算及配筋時(shí)，需要依據(jù)梁長(zhǎng)的差別根據(jù)不同梁長(zhǎng)級(jí)配計(jì)算配筋，這樣缺點(diǎn)是：

①設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)周期會(huì)增長(zhǎng)；

②實(shí)施階段會(huì)由于增多了模板套數(shù)而抵消預(yù)制結(jié)構(gòu)原有的節(jié)約工期以及比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)節(jié)約造價(jià)的優(yōu)勢(shì)；

③運(yùn)營(yíng)階段上部結(jié)構(gòu)還會(huì)由于橫向不同、梁板板長(zhǎng)和剛度不同更易在鉸縫處形成通長(zhǎng)裂縫，影響運(yùn)營(yíng)期的使用以及增高養(yǎng)護(hù)成本。

⑵方案二特點(diǎn)同樣全橋位于平曲線上，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)可以避開方案一所敘述的問(wèn)題；采納較小跨徑而實(shí)現(xiàn)的一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，避開了預(yù)應(yīng)力的徑向分力對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及對(duì)抗扭性能的影響。對(duì)于曲梁在外荷載的作用下會(huì)形成撓曲變形與彎扭耦合共同變大的狀況，但對(duì)于受力模型來(lái)說(shuō)還是跨中下緣形變與耦合更嚴(yán)峻，一般鋼筋在這個(gè)位置隨變形增大而增加使用效率，同時(shí)供應(yīng)了更好的抗彎扭和對(duì)抗翹曲正應(yīng)力的效果。依據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析比較，在15m跨徑的35m半徑時(shí)，內(nèi)外腹板跨中處彎矩較內(nèi)外腹板弧線長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)跨徑的直橋跨中彎矩?cái)?shù)值相近，故可以簡(jiǎn)化為依據(jù)內(nèi)外腹板弧長(zhǎng)的直橋來(lái)進(jìn)行替代內(nèi)力計(jì)算，從而減短設(shè)計(jì)周期；由于橋面橫坡為5%，梁底為平坡，半徑外側(cè)腹板比內(nèi)側(cè)腹板高，這正符合了內(nèi)外側(cè)抗彎與抗扭的區(qū)分，客觀上降低了肯定的梁高；腹板采納鋼筋骨架配筋增加整體性、抗彎力量、抗扭力量，同時(shí)也對(duì)翹曲形變引起的翹曲正應(yīng)力及其伴生的剪力有肯定反抗力量。

經(jīng)上述比選后上部結(jié)構(gòu)選用方案二，這個(gè)方案在構(gòu)造合理性、全壽命工期及經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)以及上部結(jié)構(gòu)詳細(xì)受力條件的改善方面都更為精彩。

1.2.3下部方案比選

通過(guò)上部方案比選，選定了一般鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁的方案，下部結(jié)構(gòu)就以上部本方案為基礎(chǔ)，選擇了兩個(gè)方案比選。

方案一：固結(jié)獨(dú)柱墩、獨(dú)柱墩、承臺(tái)、樁基礎(chǔ)，固結(jié)獨(dú)柱墩布置在1、3號(hào)橋墩（如圖3），2號(hào)墩為獨(dú)柱墩。

方案二：偏心獨(dú)柱墩、承臺(tái)、樁基礎(chǔ)。鑒于橋梁所在路線圓曲線半徑較小且存在緩和曲線段，無(wú)法依據(jù)圓曲線線形大、小樁號(hào)方向?qū)ΨQ布置，以縮短設(shè)計(jì)、實(shí)施階段周期，故而全橋墩柱采納徑向布置。上述方案的力學(xué)模型最大的差別在于，方案一活載作用在徑向剖面（見(jiàn)圖4）上時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生的最大彎矩較小。活載最不利工況力學(xué)模型的受力特點(diǎn)是：利用徑向剖面雙側(cè)橋墩以外的上部結(jié)構(gòu)自重，平衡兩側(cè)橋墩內(nèi)的恒載及活載對(duì)相鄰兩橋墩墩頂主梁構(gòu)成的負(fù)彎矩（如固結(jié)墩頂同樣有彎矩）。在綜合考慮了兩個(gè)方面因素后，最終推舉方案一，其比較過(guò)程如下。

穩(wěn)定性分析：本結(jié)構(gòu)采納了固結(jié)獨(dú)柱墩與獨(dú)柱墩相結(jié)合的墩身結(jié)構(gòu)，15m跨徑對(duì)應(yīng)中35m半徑處的跨中最外側(cè)可能消失的受力點(diǎn)到此跨兩獨(dú)柱墩支點(diǎn)連線的距離為：5.0m（直橋?yàn)?.3m），差值為0.7m（如圖4中跨中截面橋梁中心線到橋墩中心線的距離），經(jīng)計(jì)算在不考慮墩頂固結(jié)的最不利狀況下，也不會(huì)造成邊跨半徑內(nèi)側(cè)支座脫空的現(xiàn)象出現(xiàn)，故而不需要利用偏心下部結(jié)構(gòu)保證穩(wěn)定性，否則方案二勢(shì)必會(huì)由于下部偏心結(jié)構(gòu)而增加造價(jià)，就穩(wěn)定性分析而言選用方案一為宜?？拐鸺罢w性分析：方案一與方案二在墩梁結(jié)合處的區(qū)分是：以支座作為上下部結(jié)構(gòu)過(guò)渡的墩身僅承受并向上部結(jié)構(gòu)傳遞了軸力、剪力，而固結(jié)墩除了傳遞軸力、剪力外，同時(shí)還承受彎矩作用，有效的減小了上部結(jié)構(gòu)的自由度，提高了橋梁整體的抗震穩(wěn)定性，并能有效防止縱坡過(guò)大以及其他緣由造成落梁。由于固結(jié)墩采納了矩形截面，所以主要是徑向方向與切線方向自由度較大，并且由于尺寸的緣由橋墩給上部構(gòu)造增加的剛度很小。能更好利用橋梁整體的剛度對(duì)內(nèi)力進(jìn)行再安排，以提高整體性。由此可見(jiàn)從抗震及整體性分析而言選用方案一有肯定優(yōu)勢(shì)。經(jīng)上述比選后下部結(jié)構(gòu)選用方案一。

2設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由工程實(shí)例總結(jié)的非匝道小半徑橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)。依據(jù)上文對(duì)工程實(shí)例爭(zhēng)論討論，在綜合考慮造價(jià)和工期后，現(xiàn)將對(duì)于與上文中工程實(shí)例同類型項(xiàng)目的小半徑橋梁（匝道橋除外）具有普遍意義的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，特歸納如下。

2.1橋跨布置及方案選定留意應(yīng)結(jié)合布跨結(jié)果，布置固結(jié)墩的位置，以及非固結(jié)墩臺(tái)的支座選用。一般狀況下，二級(jí)及以下大路的小半徑橋梁多是在陡坡深溝處，以路線貼近等高線走向以減小工程量。這種路段一般為緩和曲線加圓曲線加緩和曲線的形式。所以，一般來(lái)說(shuō)在地形、水文條件允許的狀況下，盡量在圓曲線曲中點(diǎn)四周布置一個(gè)橋墩，圓曲線所在的一聯(lián)橋梁盡量以此橋墩為基準(zhǔn)對(duì)稱布置，可以最大可能的避開邊跨半徑內(nèi)側(cè)支座脫空，并且這種布跨方案在活載作用的最不利狀況下（見(jiàn)圖4）對(duì)結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生的彎矩最小。

2.2結(jié)構(gòu)尺寸的方案擬定原則在條件允許的狀況下，盡量降低梁高，盡可能減小固結(jié)墩墩柱的截面尺寸，增大橋墩的柔度，這樣可以盡量減