一种新型无梁板桥的设计

任 亮,方 志,上官兴

(1.华东交通大学土木建筑学院,南昌 330013;2.湖南大学土木工程学院,长沙 410082)

1 概述

随着我国交通运输事业的迅速发展以及城市化进程的加快,公路、铁路网纵横交错,为有效解决沿线交叉导致的净空问题,无梁板桥值得推荐。它沿用了建筑上的无梁板结构,即用几排桩柱式下部构造直接支承连续板式的上部构造,桩排顶上没有盖梁,因而称为无梁板桥,又称菌形板桥[1]。

与其他桥梁相比,无梁板桥有自己独特的优点：首先无梁板桥由于没有横梁而争取了最小的建筑高度,增大了桥下净空,降低了引线高度,减短了引桥长度,节省了投资；其次无梁板桥采用现场浇筑,可以制作成任何复杂的形状,特别适用于弯、坡、斜桥；另外无梁板外形轻盈,在城市立交桥中有较好的美观效果。

由于其良好的技术、经济等优越性,无梁板桥在东北地区城市互通式立交、公路立交、高速铁路以及普通铁路线得到了应用[2～4],但在全国范围内推广不多。本文针对传统无梁板桥存在的问题进行分析,通过韶关百旺大桥支桥的设计,介绍一种新型无梁板桥的设计,为加快推广,编制了20～40 m新型无梁板桥设计图。

2 传统无梁板桥存在的问题

传统无梁板桥20世纪80年代在我国城市互通式立交中开始运用,但目前在全国范围推广不多,主要存在以下原因。

(1)跨径小。由于无梁板桥梁板矮,使得结构面积和抗弯截面系数均很小,当跨度一定时,为满足受力要求,必须加大轴向预压力,而现在使用的都是φ5 mm预应力筋,张拉吨位受到限制,因此无梁板桥单孔跨径至今尚未突破25 m。另外,传统无梁板桥墩柱与板固结,虽然具有纵横向刚度好,可以分担板身在恒载、活载作用下的弯矩等优点[5～10],但用于多跨连续板时,由于分担的弯矩以及温度应力的影响,将使墩身发生较大位移,这样造成最多做到3跨一联,不能在长桥中使用。

(2)成本高。无梁板桥在预应力根数一定的情况下,由于梁板矮,提供的抵抗弯矩小,为满足结构受力需要,必须增加预应力钢筋数量,结构成本高。另外,无梁板桥一般采用满堂支架施工,施工中板的重力全部由支架承担,需要对地基进行处理,施工成本高,尤其在软弱地基情况下,支架沉降量大,处理地基费用更高。

(3)无标准图。传统无梁板桥由于以上缺点,一直无标准图可套用,在实际工程中常因设计周期不够而不得不放弃。

3 韶关百旺大桥支桥的设计

3.1 设计概况

广东韶关百旺大桥是一座跨越北江干流的大型城市公路桥梁,全长805 m,桥宽28 m。在东西两个水道中有一江心岛,按开发区整体规划,在桥梁中部里程K0+471.5(9号台),K0+705.8(23号台)两处各布置一条支桥通往中心岛,以促进该岛的经济开发。经多方案的反复比较,遵循“造型美观,结构合理,施工方便,造价经济”的原则,确定支桥为“无梁板连续弯桥”(图1),平面圆曲线半径R=45.25 m,超高横向坡2%,纵坡4%,桥宽9 m,弯桥跨径组合为16+16+2×19.7+18.4+16.2+16.6=123.6 m。

图1 弯桥平面(单位：m)

3.2 下部结构设计

由于中心岛覆盖层为吹填砂,松软不宜做钻孔桩,而在高程45.0 m处为紧密砂砾石,强度大,沉降量小,可做承重层,因此选择了沉井空心桩方案。沉井外径φ4 m,壁厚0.5 m,井内吹砂下沉到砂砾层面,清洗整平双脚底后浇水下混凝土到刃脚顶部形成空心桩(φ3 m),基底面积大,因此沉降量小。

为增大桥墩的抗弯能力,桥墩采用双柱式,截面尺寸为20 cm×100 cm,坐落在沉井两边壁上。针对墩柱与板固结存在的问题,本桥在上柱顶部设置厚0.1 m的橡胶板式支座,使刚度很大的板梁与桥墩脱开,用橡胶板的剪切变形来适应无梁板的位移,在温度及水平力作用下不造成桥墩开裂,从而适用连续多跨的情况,加大了跨径。

3.3 板的设计

为保证跨中下缘预应力作用线在支座截面中性轴以上,从而解决跨中预应力张拉的困难,本桥在板的设计中采用变截面形式,如图2所示。其中跨中板高仅0.7 m,在支座处板高增大0.5 m,为1.2 m,板的截面采用流线型设计,如图3所示,其具有外形轻盈美观,混凝土量较省等优点。

图2 板立面布置(单位：cm)

图3 板横截面(单位：cm)

3.4 板的分段浇筑

传统无梁板桥采用满堂支架逐孔浇筑,施工成本高,本设计考虑到连续结构自重弯矩图中具有两个反弯点,分别位于支座两侧各0.2L左右,现将反弯点之间呈负弯矩状态称A块(一般取0.4L),呈正弯矩状态称B块(一般取0.6L),施工中每跨分两次浇筑,即先浇A段,再浇B段,如图4所示。其中A块浇完后张拉对应的上缘预应力筋效应大小需抵消A块的自重弯矩,即预应力与A块的自重相平衡,从而使A块自动脱离支架,这样大大减轻了支架负担。此外,将A、B块分别施工还能保证A块纵向预应力的张拉，避免了纵向弯曲,这对有平面弯曲的连续弯桥而言,能大大简化施工,从而降低造价。

图4 板的分段浇筑

3.5 预应力布置

传统无梁板桥采用直径φ5 mm钢绞线,所需预应力钢筋多,成本高,在截面一定的情况下,张拉吨位也受到限制,考虑降低造价,本设计采用大直径φ7 mm平行钢丝群锚体系[11],截面布置如图5所示。其中预应力布置为适应施工中的分段浇筑分3种类型,即上缘通索、上缘短索和下缘通索。上缘通索用联结器接长,在跨中接缝处张拉,其作用是确保分段浇筑的连续梁整体性；上缘短索用以抵消恒载悬臂施工所产生的自重弯矩,在分段的端面上张拉,另一端预埋在混凝土板中；下缘通索在跨中接缝处张拉,通过支座时,由于变截面的构造,使它相当于在中性轴位置通过,只增大支座截面的轴向力,而不产生反向负弯矩。

图5 跨中和支座预应力布置

根据受力的不同,设计选用1、3、6、12束等4种形式。较小拉力的1束和3束(张拉力分别300 kN和900 kN)用于上缘通索,较大拉力索6束和12束(张拉力分别为1 800 kN和3 600 kN)用于支座上缘和跨中下缘。HM21锚头采用夹片锚(HVM)、镦头锚(HDM)相结合的形式,镦头和夹片锚间用钢管套连接器相连,可以十分方便解决分段逐孔中预应力索的接长问题。

4 20～40 m新型无梁板桥设计图

在韶关百旺支桥设计的基础上,编制了20、30、40 m 3种跨径设计图,具体参数见表1。其中桥面按双向4车道设计,单箱宽12 m,中设1.5 m分隔带,桥墩为V形,施工可利用φ3 m钢护筒做横向支承,支座选用钢球形支座,板梁底宽4 m,顶宽7 m,两边悬臂2.5 m,如图6所示。

表1 20～40 m标准图设计参数

注：1.HM21-X中HM21表示7φ7 mm平行钢丝,X表示一孔根数。

图6 板横剖面(单位：cm)

为减少地基处理费用,除20 m跨径外,30 m和40 m均以桥墩为中心每侧分A、B、C 3段,接缝在跨中,宽1 m,此种方法与大跨径连续梁双悬臂施工相同,其特点是支架仅承担一段板重,混凝土硬化后进行预应力张拉,解除了对支架压力,即对支架要求较低,减小施工中支架受力。

由于板梁高度矮,抗弯刚度不足,故必须通过大吨位预应力产生的巨大轴向力来补偿。从表1中可以看出,在40 m设计图中,上缘预应力HM21-19张拉力可达6 000 kN。可以说,采用φ7 mm大直径预应力体系是新型无梁板桥跨径得以增大的关键所在。

5 结论

本文在韶关百旺大桥支桥设计中改变无梁板桥墩柱与板连接方式，采用分段浇筑和引入大吨位预应力,介绍了一种新型无梁板桥的设计。该设计保留了无梁板桥的优点,针对其不足进行了修正,并将无梁板桥跨径增大到40 m，在此基础上编制了20、30、40 m设计图,可供对复杂形状的“弯、坡、斜”立交桥设计参考。

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