天门市水陆李大桥主桥连续梁设计

严少波

(湖北省交通规划设计院,武汉 430051)

天门市水陆李大桥主桥连续梁设计

严少波

(湖北省交通规划设计院,武汉 430051)

天门市水陆李大桥主桥是一座为3跨预应力混凝土连续箱梁桥,桥跨布置为65 m+110 m+65 m。结合该桥的设计过程,探讨了该桥的技术标准、结构设计、结构计算、主要施工方法,从材料、构造措施和施工工艺等方面进行设计以保证大桥的使用寿命。

连续梁; 主桥; 预应力混凝土; 设计

1 工程概况

天门市皂仙公路水陆李大桥是湖北省重要的南北向干线公路——皂仙公路上的组成部分,是皂仙公路胡市至净潭段改扩建工程跨越汉北河的一座配套桥梁。水陆李大桥上跨汉北河以及两岸大堤,桥跨布置为4×30 m+4×30 m+4×30 m+4×30 m+(65+110+65)m+5×30 m,桥梁全长877 m,宽度12 m。引桥上构采用预应力砼先简支后结构连续小箱梁跨越汉北河左岸河堤,主桥采用65+110+65 m变截面悬浇连续箱梁上跨汉北河主通航河道及汉北河右岸堤防[1](如图1所示)。主桥箱梁为全预应力砼结构,引桥小箱梁为A类预应力砼结构。引桥下构为柱式桥墩配桩基,主桥为矩形墩配承台桩基;桥台为肋板台配桩基础。大桥总体设计综合考虑地形、通航、水文、地质、防洪等因素,在满足大桥使用功能的前提下,力求达到景观协调、结构经济安全、方便施工的目标[2]。

2 主要技术标准

设计基准期:100年。

设计车速:60 km/h。

桥面布置:按双向2车道标准建设,桥梁宽度为12 m,布置形式为0.5 m(防撞墙)+11 m(行车道)+ 0.5 m(防撞墙)。

设计荷载基本参数:公路-Ⅱ级汽车荷载。

船舶撞击力:主通航孔顺水流方向450 k N,横水流方向550 k N。

设计洪水频率:1/100,最高通航水位27.34 m,最低通航水位20.540 m,设计水位28.644 m。

桥下通航等级:按Ⅳ-(3)航道考虑,净宽94.632 m,净高8.0 m。

桥面平、纵、横设计:平面线型为直线,横坡为双向2%路拱。纵断面位于R=10 000 m的凸形竖曲线上,纵坡1%～-2.95%。

3 结构设计

3.1 主梁设计

水陆李大桥主桥上部结构为3跨预应力混凝土连续箱梁,箱梁采用单箱单室截面(如图2所示),箱梁顶宽12 m,箱梁底宽6.5 m,两侧悬臂长度2.75 m。箱梁混凝土标号为C55。

箱梁支点截面根部梁高6.7 m,跨中及端部梁高2.9 m。箱梁根部底板厚70 cm,跨中底板厚28 cm。箱梁梁高、底板厚度从支点截面根部至跨中按2次抛物线变化,其中梁高的变化方程为:y=0.001 405 3x2+2.9,式中,x表示相对变化起点的距离,y表示相对变化起点的高差。

腹板在主墩墩顶0号梁段为65 cm,中跨跨中及边跨现浇梁段为45 cm,其它之间梁段腹板厚度由65 cm变到45 cm,腹板厚度在两个箱梁节段内直线变化。箱梁顶板厚度28 cm。箱梁顶设有2%的单向横坡。沿桥设计线,墩顶0号梁段长12 m,梁段长度从根部至跨中各为:6×3.5 m、6×4.5 m,边、中跨合拢段长2 m。边跨现浇段长4 m。

水陆李大桥主桥上部结构按预应力混凝土全预应力构件设计,采用三向预应力。纵向预应力束分为腹板下弯束、顶板束和底板连续束,采用平、竖、弯相结合的空间曲线,分别锚固在箱梁的腹板、顶板、顶底板承托或齿板上[3]。纵向束采用12ϕs15.2 m、15ϕs15.2 m、19ϕs15.2 m,标准强度1 860 MPa,纵向预应力钢绞线孔道采用内径100 mm、90 mm的金属波纹管成孔。竖向预应力采用ϕ32 mm的冷拉Ⅳ级精轧螺纹粗钢筋,管道采用内径42 mm的金属波纹管,上端张拉,锚在顶板顶面,控制张拉力635.7 k N,竖向预应力筋顺桥向间距平均50 cm。横向预应筋采用标准强度1 860 MPa的2～ϕs15.2 mm钢绞线,扁锚,用内径50 mm的金属波纹管成孔。控制张拉力377.5 k N,为方便施工,采用一端张拉。横向预应力筋顺桥向间距50 cm。

管道灌浆建议采用真空灌浆工艺。预应力钢束设定位钢筋,间距50 cm,弯道处间距加密到30 cm。

3.2 桥墩及基础设计

主桥主墩均采用钢筋混凝土矩形墩,墩高分别为11.326 m、11.188 m,墩身截面采用b(横桥向)×h(顺桥向)=6.5×3.5 m。主墩承台厚度为3.5 m,基础为4ϕ2.5 m钻孔灌注桩基础,设计桩长为52 m和55 m (按摩擦桩设计)。

过渡墩也采用钢筋混凝土矩形墩,左右幅过渡墩高(不含墩帽)14.09 m、9.282 m。主桥过渡墩承台厚2.5 m,基础为4ϕ1.5 m钻孔灌注桩,设计桩长35 m(按摩擦桩设计)。

为避免或减少因船舶碰撞桥墩带来的墩身结构局部破损、船体破损及相应的损失,在通航孔两侧桥墩四周采取用橡胶碰垫或防撞钢套箱等吸能围护措施等。

3.3 结构计算

水陆李大桥主桥整体计算采用杆系理论,以主梁桥轴线为基准划分结构离散图。采用midas Civil 2011软件建立有限元模型,主桥上部结构共划分72个单元。计算模型及单元划分如图3所示。

水陆李大桥主桥采用悬臂浇筑法,计算模型按照施工方案共划分了15个计算阶段,其中前14个阶段为施工阶段,最后一个阶段为正常使用阶段。每个悬臂施工阶段包括挂篮就位、梁段浇筑、张拉预应力束(筋)及挂篮前移等四个主要工况。成桥运营计算包括恒载、活载、支点沉降、温度等工况[4]。

通过对结构整体分析验算,综合考虑了短暂状况与持久状况时的各种工况,包括自重、施工荷载、预应力、预应力二次力、收缩徐变次内力、非线性温差、活载、基础变位等作用;对箱梁施工、使用阶段各截面的内力、应力,以及使用阶段的强度等均进行了计算分析,各种最不利荷载组合下结构强度均满足规范要求。表1为承载能力极限状态组合下结构控制断面正截面弯矩值与最大抗力比较。

表1 承载能力极限状态组合单元内力与最大抗力比较表

3.4 主要施工方法

3.4.1 上部结构施工

水陆李大桥箱梁施工方案为:先施工基础、桥墩;在主墩两侧承台上搭设临时支架浇筑0#块砼;然后分块悬臂对称浇注梁段,形成最大T构状态,同时在边跨直线段和边跨合拢段搭支架,并用110%自重进行预压,待基础沉降稳定后,分段拆除压重并浇筑该段砼,直至完成边跨合拢,形成两个单悬臂的超静定梁;最后利用刚性吊架合拢跨中段;最后成桥形成3跨连续梁桥[5]。

主墩0#块长12 m,两侧1～6#块长3.5 m,7～12#块长4.5 m;最大节段重量为131.1 t,挂篮设计重按79 t设计。挂篮施工应严防挂篮跌落,尤其应防止在最大悬臂施工状态下出现,因此挂篮在施工过程中对后锚固点必须具备双保护方案。对称块段砼浇注速度偏差应小于30%,各块段施工误差控制在5%以内。

由于水陆李大桥设有纵坡,所以在同一“T”的对称节段标高不等,施工中应严格控制。箱梁内管道与钢筋如发生冲突,以纵向钢束受力为主,可适当调整其它钢筋的位置。

3.4.2 下部结构施工

水陆李大桥箱梁主桥墩采用滑模施工方案,桩基础采用钻孔灌注桩基础。桩基钻孔应严格控制孔的中心位置,其偏差不得大于5 cm,孔径不得小于桩径,且钻孔桩倾斜度应小于1%。孔深必须严格按设计标高控制,相邻桩底高差不得大于10 cm,并不得高于设计桩底标高,桩底清孔必须彻底。

由于水陆李大桥箱梁主桥墩采用C40混凝土,混凝土收缩量较大,施工过程中须密切注意混凝土的收缩裂缝。对混凝土的材料应反复优化配合比,增加必要的降低收缩量的添加剂;从工艺上应尽量努力降低骨料温度,缩短节段之间的混凝土龄期差,并加强养生。为防止刚度突变,墩身第一个施工接缝设在墩身底以上5 m左右,其余施工接缝的设置按照相应的施工规范参照执行。

水陆李大桥桥台处于大于1%的纵坡上,出现桥台背墙与梁端干扰的问题,即梁端侵入终点桥台伸缩缝,导致伸缩缝空隙缩小,无法满足伸缩缝安装所需空间,因此必须对桥台背墙前缘进行处理。具体处理措施采取以背墙前缘与帽梁顶的交点(不动点)为原点,对背墙前缘线采取与路线纵坡同方向的转动,使其坡度与路线纵坡一致,其它部位均不动的处理措施,调整示意图如图4所示。

4 结 语

结合水陆李大桥的设计过程,对主桥的技术标准、主梁设计和桥墩和基础设计、结构计算、上下部结构的主要施工方法等进行了详细介绍,从材料、构造措施、施工工艺等方面进行了设计,以保障大桥的长效使用寿命,希望能为同类桥梁的设计提供借鉴和参考。

[1] 湖北省交通规划设计院.省道皂毛公路天门市竟陵至岳口段改建工程(第03合同段)施工图设计[Z].武汉:湖北省交通规划设计院,2013.

[2] 严少波.汉北河竟陵大桥主桥连续梁设计[J].建材世界,2014(3):52-54.

[3] 郭风泽.铁路大跨预应力混凝土连续梁桥设计[J].四川建筑,2007(9):117-121.

[4] 王玲丽,蔡 建.浅谈预应力混凝土连续刚构桥设计体会[J].中国科技信息,2011(15):38.

[5] 鲍卫刚,周泳涛.预应力混凝土梁式桥梁设计施工技术指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

Design of Main Bridge of Tianmen Shuiluli Bridge

YAN Shao-bo
(Hubei Provincial Transport Planning and Design Institute,Wuhan 430051,China)

Tianmen Shuiluli Bridge is a three span prestressed concrete continuous box girder bridge with the bridge spans arrangement of 65 m+110 m+65 m.In accordance with the process of the design of the bridge,this paper discusses the technical standards,structure design,structure calculation,and the main construction method.The durability of the bridge is appropriately designed by the rational utilization of materials and structural formation so as to eventually ensure the long-term service life of the bridge.

continuous beam; main beam; prestressed concrete; design

2014-06-22.

严少波(1973-),高级工程师.E-mail:1750987@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.020