第11卷第2期
2009年4月
辽宁省交通高等专科学校学报
JOURNAL OF LIAONING PROVINCIAL COLLEGE OF COMMUNICATIONS
Vol.11No.2Apr.2009
文章编号:1008-3812(2009)02-012-03
大跨径预应力混凝土连续梁桥设计分析
马 宁
(沈阳市市政工程设计研究院,辽宁沈阳 110015)
摘 要 本文以一座五跨预应力混凝土连续箱梁桥为工程背景,介绍了大跨径连续梁桥设计中需要考虑的一些主要问题,针对现阶段大跨径连续梁桥的一些主要病害,提出了在设计过程中的相应处理措施。
关键词 连续梁桥 合拢段 桥梁设计中图分类号:U442.5 文献标识码:A
1前言
连续箱梁桥结构具有变形小、刚度好、行车平工艺。
2工程简介
本文工程背景为一座五跨(47m+80m+116m+80m+47m=370m)预应力混凝土连续箱梁桥(见图1),该桥桥面全宽40m,跨越河流。该桥的主要设计标准如下:
(1)道路等级:城市主干路。(2)桥梁设计安全等级:一级。(3)设计车速:60公里/小时。
(4)横断面宽度:桥面全宽40m,其横断面布置为5m(人非混行道)+30m(机动车双向八车道)+5m(人非混行道)=40m
(5)桥面最大纵坡度:2%。
(6)桥梁设计荷载:城-A级汽车荷载;人群荷载3.5kN/m2。
(7)设计洪水频率:1/300,设计洪水位,50.45m。
(8)地震基本烈度:7度。
(9)通航标准:内河5级航道。
顺舒适、伸缩缝少、抗震能力强等优点。目前在40～150m跨度范围内,无论是城市桥梁、公路桥梁,还是铁路桥梁中都具有较大的优势,是一种被广泛使用的桥型。但近些年在一些跨径较大的已建桥梁中也出现了较多的病害,主要表现在:腹板斜裂缝较多、墩顶段横隔板开裂、悬臂板纵向裂缝、中跨跨中下挠过大、墩身局部裂缝等现象。
对于上述病害,在桥梁设计中要充分注意,采用合理的构造尺寸,并进行必要的受力分析,以最大限度的减少病害发生,确保桥梁的安全使用。一般从以下几个方面采取措施:
(1)首先要保证主梁有足够的梁高,增加主梁刚度,主梁根部高跨比建议采用1/16～1/17。
(2)已发现病害中,主梁1/4跨径附近腹板开裂较普遍,可以优化梁高变化规律,减小抛物线次数,以增大1/4跨径附近截面的高度。
(3)主梁悬臂预应力束锚固时,下弯到箱梁截面型心下部以提供较大的预剪力,改善腹板的主拉应力。
(4)主梁应力分析时,竖向预应力对主拉应力的贡献要慎重考虑。
(5)对墩顶0#块、局部锚固区等受力复杂的位置要进行局部空间分析。
(6)采用空心桥墩,减少大体积混凝土浇注过程中由水化热产生的局部裂缝,合理配置防裂构造钢筋。
(7)主梁施工中采取合理的体系转换及合拢
收稿日期:2009-02-25
图1桥梁立面图
主梁设计3.1主梁构造
上部结构采用C50混凝土,箱形截面,单箱双室结构,桥面双向1.5%横坡通过调整主梁腹板高3
度来形成。主跨支点处梁高7m,主跨跨中梁高3m,梁高由支点向跨中按1.5次抛物线过渡,中跨2m合拢段为等高段;次中跨引桥侧支点处梁高4.5m,次中跨跨中梁高3m。梁高由支点向跨中按
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第2期马 宁:大跨径预应力混凝土连续梁桥设计分析
连续刚构桥均采用了直线型悬浇束,即悬浇束基本没有下弯,直接锚固于箱梁顶板承托附近,以竖向
预应力来抵抗箱梁腹板的主拉应力,达到规范的应力要求。这种布束方式施工简便,受到了广大施工单位的欢迎,但却为结构的安全埋下了隐患。竖向预应力能够改善箱梁腹板主拉应力的前提是竖向预应力必须可靠,而实际中竖向预应力往往不能达到设计预期的工作性能。过分依靠竖向预应力在设计中是不可取的,一旦竖向预应力失效,箱梁很容易开裂。本次设计中悬浇束分别布置在顶板及腹板内,顶板内的悬浇束采用15-15钢绞线,直接锚固于箱梁顶板承托附近,腹板内布置的悬浇束采用15-19钢绞线,下弯到箱梁截面型心下部以提供较大的预剪力,使腹板的主拉应力得到改善。
主梁的横向预应力束采用15-4钢绞线,间距0.6m,布置在箱梁顶板中,主要用于改善大悬臂板在活载及温度力作用下的不利效应,确保桥面板的使用功能。
主梁的竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢筋,间距0.5m,布置在腹板及支点处横隔板内,主要起到辅助保护的功能,主梁计算中不考虑其作用。局部分析墩顶0#块是整个主梁的核心受力位置,在上部结构作用力和巨大的支座压力的作用下,其受力状态极为复杂。由于0#块的应力状态在总体计算结果中难以体现,本次设计中取出0#块附近梁段,3.4
1.5次抛物线过渡,次中跨2m合拢段为等高段;边
跨引桥侧为10m长等高段,梁高2.5m,主跨侧支
点处梁高4.5m,梁高由支点向跨中按1.5次抛物线过渡。
主梁全宽为40m,分为上、下行两幅桥,中间设宽度2cm的纵缝。箱形截面悬臂长4.6m,箱底宽10.8m,悬臂端部厚0.18m,悬臂根部厚0.9m,在
桥墩位置的悬臂加宽2m,设置弧形观光台。主桥箱梁顶板厚0.28m,底板厚度在梁高变化范围内按1.5次抛物线由0.7m变至0.3m,支点范围腹板厚0.9m,跨中范围腹板厚0.5m,中间用局部变厚段过渡。主墩顶设置两道1.2m厚横隔板,次墩顶设置两道1m厚横隔板,端横梁为2m宽实心横梁。
根据以往大跨径连续梁桥的病害分析,本次构造设计中适当增加了主梁的高度,使主跨高跨比达到1/16.6。主梁变高段采用1.5次抛物线过渡,增加了主梁1/4跨径处的抗剪能力,以改善该处主拉应力,减少腹板裂缝的发生。3.2主梁内力分析
采用《桥梁博士v3.1版》桥梁结构计算分析系统对5跨连续梁进行受力分析。结构分析中以平面杆系有限元建立计算模型,按照实际施工步骤划分为77个施工阶段,全桥共218个梁单元。本工程中主梁按照全预应力构件进行设计,设计中考虑了恒载、预应力、收缩徐变、活载、温度力、风力、基础不均匀沉降及施工荷载等效应。非线性温度效应按桥规考虑,基础不均匀沉降按2cm计。
计算中对施工阶段悬臂浇注、边跨合拢、体系转换、最大悬臂状态、中跨合拢、施加二期恒载等重要工序进行了详细的受力分析,将施工阶段各个指标控制在容许范围内,以确保桥梁的施工按照设计的步骤安全的进行,直至成桥。成桥后主梁在最不利组合作用下均不出现拉应力,最大主拉应力小于1Mpa,最大主压应力小于15Mpa,均在规范容许的范围之内。
3.3预应力布置
主梁为纵、横、竖三向预应力体系。纵向及横向预应力采用钢绞线,布置在顶、底板及腹板内,竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢筋,布置在腹板及支点处横隔板内。
主梁的纵向预应力束分为悬浇束和合拢束,悬浇束主要用来抵抗悬臂施工阶段和成桥后的支点负弯矩效应,合拢束主要用来抵抗二期恒载和成桥后的活载、温度等效应。以往很多大跨径连续梁及
利用MIDAS计算软件建立实体单元模型对此梁段
进行空间分析,得出0#块各个关键位置的应力状态,以掌握其使用状态。
截取支座两侧各17m长梁段建立实体单元模型(见图2),将截取面位置的荷载施加于实体结构两端,并计入截取34m长梁段内的恒载、活载、预应力荷载,在梁底支座范围内的节点上施加约束后,进行计算分析。
图20号块实体单元模型
查得计算分析结果中,0#块横隔板人孔下缘主拉应力较大,为3.65Mpa(见图3)。为了确保横隔板的耐久使用,在每道横隔板上横桥向施加8束
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15-15预应力钢绞线,这样人孔下缘主拉应力降
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基础施工措施两个因素的影响,合理设置承台标高,并对主桥承台大体积混凝土施工进行水化热分析,设置适当的冷却管。5主梁施工
主梁施工中,墩顶现浇段利用墩旁托架进行混凝土浇注施工,边跨现浇段采用支架现浇施工,主跨悬臂段采用挂篮悬臂浇注。墩顶现浇段及临时锚固措施完成后,安装挂蓝进行悬臂施工,施工中浇注完每个节段后,先张拉横向预应力束,再张拉纵向预应力束,最后张拉竖向预应力。要求悬臂浇筑混凝土及挂篮移动必须对称进行,各节段浇注完毕后,形成最大悬臂状态。次中跨合拢段采用支架现浇施工,边跨现浇段的支架与模板之间的连接构造应考虑在次中跨合拢后主梁能够纵向活动,合拢段设有劲性骨架和临时合拢束,合拢段混凝土达到设计强度后,张拉合拢预应力钢束,拆除临时锚固措施,完成体系转换。中跨合拢段采用挂篮施工,中跨合拢时,在合拢段设有劲性骨架和临时合拢束,合拢段混凝土达到设计强度后,张拉合拢预应力钢束。
施工单位在挂篮设计后应及时将挂篮资料交付设计者及施工控制单位,以便计算施工预拱度。按实际参数跟踪计算、分析,确定下阶段立模高度,做好施工控制。6结 语
大跨径连续梁桥在40～150m跨度范围内,是采用较为普遍的桥型,同时也是出现问题较多的桥型,设计单位应对这种桥型给予充分的重视。文中所述为作者在实桥设计过程中收集的相关资料和亲身体会,希望本文能为今后的大跨径混凝土梁桥的设计提供经验。
参考文献
[1]姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,1996.
[2]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,
1999.
到1Mpa以下,完全能达到使用要求。
图3人孔位置主拉应力等值线图桥墩及基础设计桥墩采用C40混凝土,横桥向上宽下窄以曲线过渡,立面呈花瓶形状,桥墩中心由上至下设有4
装饰凹槽,桥墩顺桥向为等宽度,横截面为空心矩形,横桥向共布置2个桥墩。桥墩横桥向顶部宽8.8m,底部宽6m,顺桥向宽度有4.7m、3.4m两种。
全桥承台均采用C30混凝土,桩基础采用C25混凝土,为嵌岩桩。主桥墩(8#、9#)承台高度为5m,平面尺寸为15m×15m。基础为钻孔灌注桩基
础,桩径2m,桩长38m,每个承台下9根,全桥共36根。主桥墩(7#、10#)承台高度为4m,平面尺寸为10m×15m。基础为钻孔灌注桩基础,桩径2m,桩长38m,每个承台下6根,全桥共24根。主桥与引桥间的过渡墩(6#、11#)承台高度为2m,平面尺寸为7.5m×12m。基础为钻孔灌注桩基础,桩径1.5m,桩长40m,每个承台下6根,全桥共24根。
桥墩设计中主要考虑空心桥墩受力性能好且节省了材料量,减少大体积混凝土浇注过程中由水化热产生的局部裂缝,这对我们也是一个新的尝试。承台及基础的设计主要考虑河水冲刷深度及
OnLongSpanPrestressedConcreteContinuousGirderBridge
MaNing
〔Abstract〕Thispaperintroducessomeproblemneedtobeconsideredindesignoflongspancontinuousboxgirderbridge,onthebackgroundofa5-spanprestressedconcretecontinuousgirderbridge,andthecorrespond2ingmeasurestodealwiththemajordiseasesoflongspancontinuousboxgirderbridgeduringthedesignprocessatthisstage.〔Keywords〕continuousgirderbridge;closuresegment;designofbridge・14・
