宜巴高速公路桥梁设计考虑因素及应对措施

2010-08-15何剑辉徐贤昭

山西建筑 2010年30期

何剑辉徐贤昭

1 概况

宜昌—巴东高速公路是《国家高速公路网规划》(7918网)中18条东西横线之一的第10横——上海—成都高速公路湖北省西段,也是2020年湖北省骨架公路网规划“六纵五横一环”主骨架中“三横”(黄梅—巴东)的西段。本项目的建成对全国和区域路网结构的完善,综合开发区域资源,落实国家扶贫战略,拉动整个区域经济的快速发展,缓解交通量迅速增长的压力,推进东中西一体化进程都将起到极其重要的作用。

工程所在地巴东县位于鄂西山区,地处秦岭山脉东南麓。沿线地势总体呈东南高,向北西渐低的趋势。山体走向以北北东及北东东为主,与向斜轴向近一致,发育多级剥夷面,以构造剥蚀溶槽中低山地貌、斜坡冲沟地形为主,并有高悬的岩溶台地,岩溶垄岗谷地地貌,鸡爪状地形等。沿线地形大多山高谷深,以神农溪为代表,山谷多为箱形峡谷和V形峡谷。

根据工点地形、地质、河(沟)床特征及路线纵坡等情况,本路段桥涵构造物基本上为跨越峡谷、斜坡冲沟等的特大、大、中桥,另外在较陡的山坡地形还设置了较多的高架桥。

以第四合同段为例,全线桥隧比例占路线总长的70%以上,桥梁平纵受地形控制因素影响较为显著,大纵坡、小半径、高墩、长桥成为本路段桥梁的一大特点。由于受众多因素的影响,增加了桥梁设计的难度,同时复杂的地理环境,不良地质灾害及地震设防的高要求,对桥梁的耐久性和抗震性能提出更高的要求。针对桥梁设计的特点,现仅对设计过程中主要特殊考虑的因素和采取的措施做以下论述。

2 桥梁设计特殊考虑因素

针对上述宜昌—巴东高速公路更高的桥梁设计要求,在常规桥梁设计方面,着重从以下几个方面考虑进行设计优化:

1)桥梁平面布置要求;2)高墩稳定性;3)地震灾害。

2.1 桥梁平面布置要求

由于山区高速公路地形比较复杂,平面线形指标不高,处于圆曲线、缓和曲线的桥梁比重较大,桥梁平面布置尤为重要。

处于圆曲线或者缓和曲线内桥梁可弯桥直做,弯桥折做和弯桥弯做。设计中应根据平曲线的半径或缓和曲线参数以及桥梁的长度选择合理的布置方法,使桥梁与路线线形圆顺结合,整个公路线性流畅美观。

由于本项目线性半径较小(最小为680 m),桥梁较长,采用曲线直做不合适,造成桥型平面线性较差;采用曲线曲做,不但计算量大,设计时间长,且施工复杂,造价增加;故本项目正常宽度桥梁均采用曲线折做平面布置。若相邻跨桥面外侧预制梁端间隙较大,采用增加墩帽宽度等措施弥补。

具体设计时,处于平曲线段上的正常宽度桥梁,沿测设中心线采用标准跨径,理论跨径线均径向布置,采用调整现浇连续段长度的方式布梁,中跨主梁预制梁长保持不变;边跨主梁预制梁长根据梁端与伸缩缝中心线平行的原则调整梁长。

空心板梁长变化段应设置在端横梁至腹板变宽点间,T梁梁长变化段应设置在靠梁端的第一个中横隔梁与腹板变宽点间,预制梁内预应力钢束变化段应设置在跨中直线段内;边梁外悬臂长按八分点控制圆弧线变化。

2.2 高墩稳定性

本项目区域地势复杂,地形起伏大,高架桥存在较多高墩,其结构安全性的控制性因素往往是压弯稳定问题,因此桥墩形式的选择和截面尺寸的确定除应满足承载能力要求以外,还应特别重视桥梁施工阶段和运营阶段的稳定性要求,尤其是施工期间单墩在风荷载作用下的自体稳定性和上构架梁或悬浇箱梁节段时,上构偏载作用下单墩的纵向和横向稳定性。设计过程中通过选择合理的桥型、把握和控制好跨度和墩高的关系、采用合理的桥墩形式和结构尺寸等措施来提高高墩的稳定性,确保施工和营运期间高墩桥梁不出现失稳现象。

本项目特大、大、中桥上部结构采用30 m,40 m预应力T梁,先简支后结构连续。下部桥墩墩高超过40 m时,采用空心薄壁墩,其中最高墩61 m,墩身采用C40混凝土。

由于空心薄壁墩结构最突出的问题就是稳定性问题,尤其是施工期间的稳定性最差,分析稳定时考虑材料非线性行为和高墩几何非线性影响。

当桥墩达到最大施工墩高,帽梁施工完毕,为桥墩的最不利稳定状态。计算荷载为:1)墩身自重;2)墩顶荷载(帽梁荷载);3)纵向风载;4)横向风载。桥址区基本风压350 Pa,即设计风速为24.1 m/s,桥墩风载按照高度变化,纵横向风载按照相关规范取值计算。

以30 m T梁61 m高桥墩为分析对象,建立梁单元模型。稳定性分析取下列三种工况:

工况1:1)+2);工况2:1)+2)+3);工况3:1)+2)+3)+4)。

分析时考虑几何非线性,考虑墩顶沿顺桥向产生5 cm的偏位及单边日照温度效应引起的非线性温度梯度所产生的变形作为初始缺陷,修正结构的节点坐标。先进行特征值屈曲分析,然后把特征值屈曲分析得到的一阶屈曲模态对应的各节点位移特征向量按照一定比例缩小,作为比例加载因子。通过分级加载至结构失稳,得到结构的极限荷载。

现为顺桥向失稳。

3种工况下有风载作用对桥墩的稳定性影响略小(稳定系数均为23.71),且屈曲模态一样。

施工时要特别注意高墩的稳定性,尽量减少墩顶不对称荷载。采用架桥机施工时,首先应对桥墩的稳定性进行必要的验算,架桥机的前移应“慢加速、匀移动”,尽可能减少架桥机对桥墩墩顶的水平冲击力,施工时应尽量避免在大风和高温环境下施工,当墩高超过30 m时,应采取必要的临时加固措施,确保高墩的稳定。

2.3 地震灾害

设计中从汶川大地震对于桥梁的破坏吸取教训,本项目严格按照JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则对于桥梁设计构造要求进行设计。

本项目在设计时对于桥位的选择,尽量利用对抗震有利的地段。当桥位无法避免发震断裂时则将全部墩台布置在断层的同一盘(最好是下盘)。桥梁设计时保证基础的抗震性能强于桥墩、台身的抗震能力。对于钢筋混凝土构件,则合理选择尺寸,配置钢筋,增加延性,避免剪切先于弯曲破坏和钢筋锚固粘结先于构件破坏。对于装配式结构则采取加强整体连续措施。桥梁横向设防震挡块以防止横向产生较大的位移。

具体:1)根据桥址区地震烈度采取了相应的抗震措施:增大过渡墩处帽梁宽度,满足JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则的相关规定;墩台帽梁挡块尺寸采用厚30 cm,高60 cm;2)桥梁墩、台挡块内侧、背墙与预制箱梁对应位置及可能发生构件刚性撞击的位置均设有橡胶缓冲块。