中承式鋼筋混凝土系桿拱橋主橋設(shè)計

第第頁中承式鋼筋混凝土系桿拱橋主橋設(shè)計1工程概述某大橋主橋是橫跨湖嘉申線湖州段航道的一座中承式系桿拱橋，采用“飛鳥式”造型，外觀輕盈、優(yōu)美，并且能夠滿足湖嘉申線Ⅲ級航道通航標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)造型與功能上的完美統(tǒng)一、2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2.1公路等級：全線按三級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。2.2設(shè)計行車速度：鎮(zhèn)西大橋計算時速采用20km/h。2.3橋梁寬度：大橋全寬15.8m，其中行車道寬12m。2.4設(shè)計荷載：公路-Ⅱ級；2.5設(shè)計洪水頻率：1/50；2.6通航標(biāo)準(zhǔn)：按Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，橋下設(shè)計最高通航水位2.4m（1985國家高程基準(zhǔn)），通航凈孔為60m×7m。2.7地震動參數(shù)：地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s。3總體布置該大橋主橋采用“飛鳥式”系桿拱，跨徑組合為34.5m+105m+34.5m，橋梁寬度15.8m，為柔性系桿剛性拱結(jié)構(gòu)。橋型總體布置見圖1、3.1拱肋該大橋主橋主拱為鋼筋混凝土拱肋，按無鉸拱設(shè)計，矢跨比F/L=1/4，拱軸線采用懸鏈線線型。拱肋截面為六邊形，其中拱、梁交接處以下至拱腳段采用實心截面，截面上、下底寬1.2m，中間寬1.4m，高1.85m；拱、梁交接處以上采用空心截面，截面上、下底寬1.2m，中間寬1.4m，高1.85m，頂、底板厚0.375m。拱肋在拱、梁交接處設(shè)2道鋼筋混凝土橫梁，2.0m×1.4m空心菱形截面，截面壁厚0.2m，在拱頂附近設(shè)4道直徑為0.7m鋼管“一字”橫向風(fēng)撐。該大橋主橋邊拱為預(yù)應(yīng)力混凝土拱肋，矢跨比F/L=1/4，拱軸線采用圓弧線線型。拱肋截面為六邊形實心截面，上、下底寬1.2m，中間寬1.4m，高1.6m。拱肋跨間中部設(shè)一道鋼筋混凝土橫系梁，0.6cm×1.2m矩形斷面；拱肋端部設(shè)鋼筋混凝土壓重段。拱肋預(yù)應(yīng)力束采用15φs15.2mm鋼絞線，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度fpk=1860MPa，采用一端張拉，一端埋錨，張拉端張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1395MPa。3.2吊桿吊桿采用φ7mm鍍鋅鋼絲成品吊桿，外包熱擠聚乙烯防護，吊桿兩端采用冷鑄鐓頭錨固體系分別錨于拱肋及行車道橫梁，拱肋端為張拉端，行車道橫梁端為固定端。全橋共20對吊桿，采用等間距平行垂直布置的平面索形式，間距為4.0m。在吊桿設(shè)計中，邊吊桿的設(shè)計尤為重要。從已建成的多座同類型橋梁來看，后期出現(xiàn)的問題大多集中在邊吊桿上，因此本次設(shè)計對邊吊桿采用了以下措施：①適當(dāng)加大行車道縱梁尺寸。通過加大縱梁尺寸，提高縱梁剛度，極大的改善了邊吊桿的受力性能。經(jīng)計算，邊吊桿在最不利荷載組合作用下，安全系數(shù)為3.8，且其應(yīng)力變幅值僅為185MPa。②采用帶球鉸裝置的新型吊桿，使吊桿能適應(yīng)溫度變化下橋面系縱向位移，從而減小短吊桿因橋面縱向位移而產(chǎn)生的附加力，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。3.3系桿及縱梁系桿設(shè)置在橫橋向兩側(cè)鋼筋混凝土縱梁內(nèi)，為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束即體外索，主橋共計2根系桿。每側(cè)系桿采用6束型號為PES15TU1-27經(jīng)過環(huán)氧噴涂及單根熱擠PE防護的鋼絞線成品索，采用兩端張拉，每束張拉力為2000kN。系桿兩端采用HVMXG.T15-27可換式系桿錨具錨固在邊拱肋端部，方便以后更換。通過調(diào)整系桿索力，用以平衡主邊拱水平推力的差值，從而抵消墩臺水平推力，以適應(yīng)橋位處軟土地基地質(zhì)條件?？v梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，矩形截面，截面寬0.7m，截面高1.2m?？v梁在中跨拱肋與系桿交接處斷開，并設(shè)置一道8cm的變形縫。3.4橫梁及行車道板行車道橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。橫梁縱橋向間距按4.0m布置。橫橋向橫梁全寬15.6m，兩吊點間距離14.4m。橫梁橫斷面采用T型截面，截面高度1.2m~1.33m，肋寬0.4m，預(yù)制翼板寬2.5m。橫梁預(yù)制吊裝后，橫梁與橫梁間通過1.5m寬行車道板現(xiàn)澆段連接。行車道板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板厚22cm。3.5橋面系主橋橋面鋪裝采用8cm厚C40鋼筋混凝土調(diào)平層，上鋪7cm厚瀝青混凝土橋面層。行車道兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土墻式護欄，護欄寬50cm。主橋共設(shè)4道伸縮縫，主橋兩端及拱、梁交接處各設(shè)一道。3.6下部結(jié)構(gòu)主橋下部中間兩主墩采用分離式拱座-承臺實體結(jié)構(gòu)。拱座高1.8m，橫橋向作成圓端頭；基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，樁基直徑1.5m，均為鉆孔灌注樁，樁頂配鋼筋混凝土承臺，承臺順橋向和橫橋向?qū)捑鶠?0.5m，承臺高2.5m。分離承臺間采用鋼筋混凝土系梁相連，系梁截面寬4m，高2.5m。主橋下部兩邊墩為交接墩，采用單排3柱樁柱式結(jié)構(gòu)，立柱直徑1.4m，樁基直徑1.5m，均為鉆孔灌注樁。4結(jié)構(gòu)分析4.1結(jié)構(gòu)靜力分析4.1.1計算模型及計算參數(shù)主橋結(jié)構(gòu)縱向分析采用平面桿系有限元橋梁結(jié)構(gòu)計算程序進行計算。計算模型采用主橋上、下部結(jié)構(gòu)（即拱肋-系桿-樁基-土抗力）聯(lián)合作用的整體計算圖式。拱肋取單片拱肋按無鉸拱計算；縱向柔性系桿按體外索計入；樁側(cè)土抗力按“m法”換算成支撐彈簧剛度，樁基礎(chǔ)視為彈性地基中的梁單元結(jié)構(gòu)。計算根據(jù)結(jié)構(gòu)特點全橋共劃分346個單元，其中橋面行車道梁元為134個，支承元為98個。計算圖示見圖4、根據(jù)施工工序，計算分了8個施工階段和1個使用階段模擬主橋施工過程和成橋的使用狀態(tài)，全面分析了主橋整體受力情況。一期恒載為結(jié)構(gòu)自重；二期恒載為橋面鋪裝及防撞護欄重量。汽車活載按公路Ⅱ級車道荷載考慮，橫向分布系數(shù)按杠桿法計算，汽車活載沖擊系數(shù)采用結(jié)構(gòu)基頻進行計算。溫度效應(yīng)按整體溫變±25℃計算，并按規(guī)范計入梯度溫度引起的效應(yīng)。吊桿與主拱肋及行車道縱梁間日照溫差按±15℃計算；縱向系桿與主拱肋及行車道縱梁間日照溫差按±15℃計算?；A(chǔ)不均勻沉降量按1cm計，采取單墩或隔墩形式，共計5組不均勻沉降。4.1.2結(jié)構(gòu)靜力主要計算結(jié)果主跨鋼筋混凝土拱肋承載能力極限狀態(tài)基本組合最大軸力為18260kN，小于截面承載力設(shè)計值28390kN，拱肋強度滿足要求。正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響下，主拱肋截面最大裂縫寬度為0.13mm，滿足規(guī)范要求。邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土拱肋承載能力極限狀態(tài)基本組合最大軸力為17090kN，小于截面承載力設(shè)計值26570kN，拱肋強度滿足要求。正常使用極限狀態(tài)下短期效應(yīng)組合截面最小正應(yīng)力為1.0MPa，均大于0，滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求；截面最大正應(yīng)力為15.8MPa，滿足規(guī)范要求。吊桿正常使用階段彈性組合時的最大拉應(yīng)力為413MPa，安全系數(shù)為3.8；系桿正常使用階段彈性組合時的最大拉應(yīng)力為642MPa，安全系數(shù)為2.9，均滿足規(guī)范要求。4.2穩(wěn)定分析對于中承式拱橋，由于沒有拱上聯(lián)合作用，因此拱肋的穩(wěn)定性驗算非常重要。風(fēng)撐的設(shè)計既要保證主拱的橫向穩(wěn)定，又要盡量簡化構(gòu)造，增加行車視覺上的舒適感，并方便施工。因此本橋在設(shè)計時，主拱在橋面以上僅設(shè)置4道“一字”風(fēng)撐，橫向是比較簡潔的。主橋穩(wěn)定性分析采用空間有限元分析軟件進行計算。計算模型按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間布置進行模擬，拱肋、縱梁及橫梁等構(gòu)件采用空間梁單元，吊桿及系桿采用拉索單元。對于行車道板，將其剛度與質(zhì)量等效分配到縱梁及橫梁上。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析計算結(jié)果表明成橋狀態(tài)主橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系