金沙江特大桥主桥静力计算分析
2014-11-09王晨
王 晨
(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430056)
1 概述
金沙江特大桥是溪洛渡水电站对外交通公路专用线的控制工程，孔跨布置为2×30 m预应力混凝土简支组合箱梁(桥面连续)+(87+158+87)m预应力混凝土连续刚构+1联6×30 m预应力混凝土先简支后连续组合箱梁，桥面布置为0.5 m防撞墙+9.0 m～10.0 m行车道+0.5 m防撞墙，主桥最高处距离地面约80 m。
桥梁全长579.0 m，其中引桥长247.0 m，主桥全长332.0 m。桥面全宽10 m～11 m。桥梁总面积5 833 m2。
本文主要介绍主桥(87+158+87)m预应力混凝土连续刚构梁部计算。
2 主要设计标准
1)道路等级:汽车专用二级公路。
2)计算行车速度:40 km/h。
3)设计荷载:汽—超20级。
4)验算荷载:挂—250(计算图式见图1)。设计规定挂车通行时，限制速度5 km/h，并沿桥梁中线居中行驶，同时不得有其他车辆上桥。挂车车轮着地宽度:纵向0.2 m，横向0.5 m。
图1 挂车荷载布置图
5)桥面宽度。
a.直线上 0.5 m(防撞护栏)+9.0 m(行车道)+0.5 m(防撞护栏)，桥梁总宽度10.0 m(主桥均位于直线上);
b.圆曲线上桥梁内侧加宽1.0 m;
c.缓和曲线段加宽采用高次抛物线过渡;
d.桥台与路基同宽:直线上10.5 m，曲线上 11.5 m。
6)设计洪水频率:1/100;验算洪水频率:1/300。
7)向家坝水库回水位380.00 m。
8)地震基本烈度:按8度(地震动峰值加速度0.20g，动反应谱特征周期0.4 s)设计。
9)场地土Ⅱ类。
3 主桥梁部结构设计
3.1 主桥箱梁结构
箱梁采用单箱单室截面，箱顶宽10 m，底宽6.5 m，两侧悬臂长1.75 m。桥面横坡系1.5%人字坡，由箱梁顶板厚度调整。箱梁中心处顶板厚度为0.30 m，悬臂根部厚度为0.65 m，底板厚0.3 m ～0.8 m，腹板厚0.3 m ～0.8 m。梁端纵向 0.70 m 范围内，箱梁顶板加厚至0.65 m，并在0.90 m范围内过渡到正常板厚。主桥立面简图见图2。
图2 主桥立面简图（单位：cm）
主墩处支点梁高8.2 m(箱梁悬臂端外侧至梁底)，主跨跨中及边跨端部现浇段梁高3.4 m(箱梁悬臂端外侧至梁底)，箱梁下缘曲线为 1.6 次抛物线，曲线方程 Y= －0.004 903 097 00X1.6(支点处及跨中处箱梁构造见图3，图4)。
图3 支点截面（单位：cm）
图4 跨中截面（单位：cm）
箱梁梁端各设一道端横隔板，厚1.6 m;两主墩墩壁附近各设两道厚1.2 m的中横隔板，隔板中心距4.8 m。中横隔板设宽1.2 m、高1.6 m 的过人洞，端横隔板设宽 1.2 m、高 1.3 m 的过人洞。
箱梁根部底板设φ10 cm排水孔，各梁段腹板设φ10 cm通风孔。
3.2 主桥箱梁材料
1)混凝土。
合龙段:50号微膨胀混凝土;
其余梁段:50号混凝土;
孔道压浆:50号微膨胀水泥浆;
主桥墩身:40号混凝土;
主桥承台:25号混凝土;
主桥钻孔桩:水下25号混凝土。
2)预应力体系。
顶板T束采用19φj15.24 mm钢绞线，配用群锚M15-19锚具锚固，采用内径100 mm塑料波纹管成孔。腹板钢束及连续钢束均采用15φj15.24 mm钢绞线，配用群锚M15-15锚具锚固，采用内径100 mm塑料波纹管成孔。
横向预应力钢束采用3φj15.24 mm钢绞线，配用 BM15-3，BM15-3P扁锚锚固，采用内径60 mm×20 mm塑料扁形波纹管成孔，钢束间距75 cm左右，单端张拉，张拉端与锚固端交错布置，锚下控制张拉应力
竖向预应力及0号段横隔板横向预应力钢筋采用JL800精轧螺纹钢筋，弹性模量 Eg=2.0 ×105MPa，屈服强度 R0.2≥800 MPa，钢筋直径32 mm，配用JLM-32锚具锚固，采用内径50 mm塑料波纹管成孔，锚下控制张拉应力。0号～14号梁段每侧腹板按双排设置，其余梁段按单排设置。
主桥纵、横、竖向预应力孔道压浆均采用真空灌浆工艺。
4 主桥梁部结构分析及设计参数
4.1 箱梁结构分析
箱梁按三向预应力体系设计，按平面杆系有限元法分析计算，结构纵向采用BSAS桥梁结构分析程序计算。结构按全预应力构件进行计算，同时竖向预应力作为预应力储备在纵向计算中不考虑其预应力效应。同时采用基础等刚度代换为“π”形短柱，以考虑桩与地基土组合的效应对主桥结构的影响。3，4号墩顶的0号梁段长10 m，其“T构”的悬臂施工分为19对梁段，从悬臂根部到跨中的梁段长度为:5×3.0 m+5×3.5 m+9×4.5 m，施工挂篮重1 000 kN，中跨跨中合龙吊架重300 kN，悬臂浇筑梁段最大控制重量1 640.7 kN。边跨现浇段长7.26 m，边跨、中跨合龙段长度为2.0 m。悬臂施工每个梁段的施工工序分移动挂篮、浇筑混凝土、张拉预应力钢束3个工序。箱梁合龙即结构进行体系转换，是控制桥梁受力状况和线形的关键工序，故箱梁的合龙顺序、合龙温度均须严格控制。主桥设计合龙顺序为:拆除施工挂篮→安装中跨合龙吊架、预施1 500 kN水平顶力→中跨合龙→边跨合龙(在落地支架上)。中跨合龙段在合龙吊架上浇筑，边跨合龙段在落地支架上浇筑。综合考虑各梁段施工、中跨及边跨合龙等工序，共划分为69个计算阶段。
4.2 箱梁纵向截面设计参数
1)计算荷载。
a.恒载。考虑结构自重、混凝土收缩徐变、预应力、基础不均匀沉降等;
二期恒载集度为:47.1 kN/m;
基础不均匀沉降:相邻两基础不均匀沉降值取4 cm。
b.活载。设计荷载:汽—超20，验算荷载:挂—250;
主梁偏载系数取1.10。
c.温度荷载。混凝土线膨胀系数0.000 01;
结构整体升、降温按±15℃考虑;
桥面板不均匀升温按5℃。
2)荷载组合。
a.荷载组合Ⅰ。结构重力+预加应力+收缩徐变+基础变位+活载(汽—超20级)。
b.荷载组合Ⅱ。结构重力+预加应力+收缩徐变+基础变位+体系升温荷载+顶板升温+活载(汽—超20级)+制动力。
结构重力+预加应力+收缩徐变+基础变位+体系降温荷载+活载(汽—超20级)+制动力。
c.荷载组合Ⅲ。结构重力 +预加应力+收缩徐变+活载(挂—250)。
d.以上荷载组合按天然河床、最大冲刷两种情况分别组合计算。
3)结构计算参数。
a.混凝土。主梁采用50号混凝土，有关参数如下:
弹性模量Eh=3.5×104MPa，标准抗压强度
徐变系数终极值2.3，收缩应变终极值0.000 15;
混凝土计算容重γ=27.3 kN/m3。
主墩墩身采用40号混凝土，有关参数如下:
弹性模量Eh=3.3×104MPa，标准抗压强度
边墩墩身、承台、桩基均采用25号混凝土，有关参数如下:弹性模量Eh=2.85×104MPa，标准抗压强度
b.预应力钢束。纵、横向预应力采用φj15.24高强度低松弛钢绞线，有关参数如下:
弹性模量Ey=1.95×105MPa，标准抗拉强度
管道摩擦系数μ=0.14，管道偏差系数k=0.002;
钢丝松弛系数ζ=0.035，单端锚具回缩值ΔL=6 mm;
竖向预应力采用φ32 mm精轧螺纹钢筋，有关参数如下:
弹性模量Ey=2.0×105MPa，标准抗拉强度张拉控制应力
c.普通钢筋。普通钢筋采用Ⅰ级和Ⅱ级钢筋，有关参数如下:
Ⅰ级钢筋:弹性模量Eg=2.1×105MPa，钢筋标准强度240 MPa;
Ⅱ级钢筋:弹性模量Eg=2.0×105MPa，钢筋标准强度340 MPa。，混凝土计算容重 γ =26 kN/m3。
5 主桥梁部结构计算结果
5.1 主桥箱梁设计标准
1)箱梁正截面设计及验算。
箱梁正截面采用全预应力理论按三向预应力结构设计。
a.在使用荷载作用下，箱梁上、下缘的法向应力按如下标准控制:
b.在使用荷载作用下，预应力钢束应力按如下标准控制:
2)箱梁斜截面检算。
在使用荷载作用下，预应力混凝土箱梁的计算主拉应力、主压应力应控制标准:
荷载组合Ⅰ:
荷载组合Ⅱ或Ⅲ:
5.2 计算结果
1)箱梁正截面及斜截面应力结果见表1。
表1 主桥箱梁应力验算结果表 MPa
钢束有效应力最大应力比0.588，满足规范0.65的要求。
2)全桥承载能力极限承载能力状态安全系数见表2。
表2 主桥箱梁强度验算结果表 kN
6 结语
溪洛渡水电站对外交通公路专用线金沙江特大桥(87+158+87)m预应力混凝土连续刚构是采用挂—250特殊荷载设计的桥梁，本文详细介绍了该桥概况、主要技术标准及建设条件、主桥静力计算及分析结果，可以为相关桥式桥梁的平面静力分析提供参考。
［1］JTJ 021-89，公路桥涵设计通用规范［S］.
［2］JTJ 021-85，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.
