重庆地铁六号线高架段(40+64+64+40)m连续刚构桥的设计
2014-05-04姜宁宁
姜宁宁
(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处,陕西西安 710043)
1 工程概况
2 全桥主要结构尺寸
梁体采用单箱单室变高度直腹板箱形截面,中支点处梁高3.8 m,跨中及边墩现浇段处梁高2.0 m,梁底曲线为二次抛物线,抛物线方程为y=0.002 07x2。箱梁顶宽5.5 m,底宽3.3 m,悬臂端厚15 cm,悬臂根部厚35 cm,悬臂长1.1 m。箱梁腹板厚40~60 cm;底板厚30~60 cm;顶板厚30 cm。顶板设60 cm×20 cm的梗胁,底板设20 cm×20 cm的梗胁,箱梁中支点设置厚300 cm横隔墙,梁端设厚100 cm横隔墙。为增强施工过程中的抗扭刚度,在中跨的跨中以及1/4跨处,增设30 cm厚的横隔板。横截面尺寸见图1。
图1 箱梁横截面(单位:cm)
受城市规划的控制,此处可以放置墩身的绿化带最大横向宽度为6 m,故刚构墩采用矩形实体桥墩,墩顶截面尺寸为3.3 m(横桥向)×3.0 m(顺桥向),墩身直线段2 m,随后横向、纵向放坡,坡率42∶1。墩顶与箱梁0号段一起浇筑。
箱梁钢束:箱梁采用全预应力理论设计,钢束均采用12φs15.2 mm钢绞线。中支点处配置纵向10束腹板钢绞线,顶板配置纵向14束钢绞线;边跨顶板配置纵向3束钢绞线,底板配置纵向6束钢绞线;中跨跨中顶板配置纵向2束较短的钢绞线,底板配置纵向10束钢绞线。中跨箱梁截面预应力布置图见图2。
同时,箱梁腹板内设置竖向预应力钢筋,纵向间距约0.5 m,采用直径32 mm的PSB830螺纹钢筋,抗拉强度标准值 fpk=830 MPa,弹性模量 Ep=2.0×105MPa。
图2 箱梁截面预应力布置(单位:cm)
3 结构计算
3.1 计算方法
平面静力计算采用西南交大BSAS软件,空间计算分析采用Midas建模分析。
3.2 静力计算
梁部计算模式共划分108个单元,109个节点,共33个施工阶段。全桥梁部采用C50混凝土,考虑混凝土的收缩、徐变,分别考虑主力、主力+附加力两种荷载组合。预应力钢束的各项损失均按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》执行。
3.2.1 箱梁纵向计算
由于地质条件相对较好,因此未按等刚度原理对桩基础进行模拟,即不计桩基础的影响,近似按承台底固接考虑,中主墩与主梁固接。
杨湾在杆子的带领下,很快搭起了几十座一模一样的庵棚。庵棚前的红布早换成红旗了,哗啦啦地飘着。当破犁铧的铃声在晨雾中响起时,一村的男女老少揉揉惺忪的眼睛,拿着碗筷围到高岗上热气腾腾的几口大锅前。杨湾人重新吃起了大锅饭。上边发放的救济物品全都集中到生产队,衣服按人头发放,破了交给缝纫组缝补,头痛发烧有赤脚医生。就连住的,也不分亲疏远近,男的一堆女的一块。杆子说,咱们这可是因祸得福了,提前迈进了共产主义。
按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》要求分别对混凝土和预应力钢束的各项指标进行控制。
部分计算参数:箱梁采用C50混凝土,混凝土弹性模量为3.55×104MPa,极限抗压强度33.5 MPa,极限抗拉强度3.10 MPa。环境相对湿度70%,混凝土平均加载龄期按10 d计,终极龄期按1 500 d计。预应力钢束管道摩阻系数 μ=0.23,管道偏差系数 k=0.002 5,一端锚具回缩6 mm,松弛损失0.03σcon,锚下张拉力采用2 047.6 kN。考虑相邻两桥墩基础不均匀沉降值取1 cm。桥梁合龙温度按10℃ ~15℃考虑,整体升温按20℃考虑,整体降温按15℃考虑(不含混凝土收缩影响),不均匀升温按照《公路桥涵设计通用规范》取值。
墩截面尺寸的选择:由于墩顶与主梁固接,墩身刚度对刚构的内力会产生影响。同时,检算悬臂施工状态下,桥梁的横向抗风稳定性。本次计算选用了3.3 m(横)×3.0 m(纵)和4.319 m(横)×3.0 m(纵)两个尺寸进行了计算比较,见表1,可以看出墩身尺寸减小,而中支点处负弯矩明显减小。
表1 中支点负弯矩比较
3.2.2 箱梁横向计算
箱梁横向按支承在主梁腹板中心线下缘的箱形框架计算。由于箱梁为单箱单室截面,两道腹板下缘的支承刚度相同,据此检算顶板、底板、腹板的厚度并配置钢筋。
3.2.3 空间分析
采用Midas建模。梁与刚构墩之间采用刚度非常大的虚梁连接,分别对梁体的扭转变形、整体结构的竖向自振频率等进行了计算。计算模型见图3。
图3 全桥计算模型
通过计算,可以看出该桥竖向刚度较大,横向刚度较纵向刚度弱。按铁路规范及公路规范要求,本桥主梁的横向自振周期均不满足规定(见表2)。由于本桥的构造尺寸受其它控制因素的影响已经无法有较大的改变,经过反复的研究计算,最后本桥设计参考了南昆铁路设计技术要求(铁建鉴[1992]93号文“关于南昆线四座大桥横向刚度的补充技术要求”)中桥梁横向第一阶振型的自振周期T≤1.7 s的规定,按照此项规定,本桥的横向刚度满足技术要求。本桥现已投入使用,在施工以及运营的过程中,此桥一切状况良好,表明横向刚度的控制是合理的,可以为同类桥梁遇到此类问题提供借鉴。
表2 特征值分析
3.2.4 计算结果
主要计算结果见表3。
表3 主要检算结果
4 结果分析
1)为使边跨正弯矩和中支点负弯矩大致接近,以便布束更趋合理。以此为原则,连续刚构需要设置合理的跨径比,一般认为L1/L2=0.239~0.692(边跨/主跨),本桥边跨/主跨为0.625。
2)通过计算,连续刚构梁的变形最大为1 cm,在设计规范控制范围内,最大挠度发生在中跨1/2跨度处。说明桥梁的实际刚度要大于理论刚度,有较大的安全储备。1/4和3/4跨度处的挠度值靠近挠度的反弯点,数值较小,综合全桥可以看出,挠度变化值普遍偏小。
3)通过计算,可以看出整个连续刚构梁的截面应力分布比较均匀,说明该梁受力性能良好。需要说明的是墩身截面的选择对桥墩受力影响显著,降低墩身宽度,能有效地降低墩身刚度,从而能迅速减小温度荷载效应。对边主墩效果更为明显。但墩身厚度同时受截面应力状态和稳定性的限制,存在一个低限。
4)对地铁设计来说,由于受控制的条件比较多,现有的铁路及公路规范横向刚度限值有时并不适用,横向刚度的参考值还有待研究;必要时,可以通过车桥系统动力响应计算与分析,寻求保证列车安全、平稳舒适运行的最小横向刚度指标。
5 结语
通过对本桥的计算分析,预应力混凝土连续刚构以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小及抗震性能好等特点,成为富有竞争力的桥型之一。
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