高烈度地震区桥型方案比选

2017-08-07王同

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：桥型主桥腹板

王同

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司,广东广州510507）

桥梁结构

高烈度地震区桥型方案比选

王同

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司,广东广州510507）

以潮州市外环大桥新建项目为背景,对于类似高烈度地震区、城市景观性要求高的桥梁从抗震适应性、景观角度提出了三个桥型方案,并从技术难度及可行性、施工工期、后期养护维修及经济性等多方面进行综合比选,最终确定技术可行、经济合理的方案予以推荐,可为类似桥梁借鉴。

高烈度；景观；桥型比选

1 概述

城市桥梁既是一种结构构筑物,同时它本身又形成一个环境,它是都市人文景观的一个组成部分,桥梁景观效果是桥梁建设的主要考虑因素。同时在地震烈度较高的地区,地震的结构反应往往成为控制设计的因素。在桥型方案确定时,对结构的总体构思、结构体系、基础形式等方案构思必须考虑它的抗震性能,有利于抗震的体系方案,容易获得较好的结构抗震性能。反之,选择对抗震不利的体系方案,为了满足地震荷载的承载能力,需要付出一定的经济代价。但对于桥梁跨径不大时,付出一定的经济代价却可以获得良好的景观效果,对于景观性要求较高的城市桥梁可进行综合比选考虑[1-6]。

2 项目情况

2.1 项目概述

外环大桥位于潮州市北部湘桥区,横跨韩江,是连接韩江两岸的又一重要通道。桥址处韩江河道总宽约0.55 km,河谷断面呈U字型,以沉积作用为主。项目属于南亚热带季节风气候。主要技术标准:一级公路兼城市道路,设计行车速度60 km/h；公路-Ⅰ级、城-A级设计荷载；设计洪水频率P= 1/300；规划内河Ⅲ级通航标准；地震动峰值加速度0.15 g；场地类别为Ⅱ类。

2.2 项目特点

根据潮州市城市总体规划及城市交通规划城区路网规划,本桥跨越韩江处桥位唯一。为满足通航及防洪要求,主桥确定采用150 m跨径。桥型方案确定时需考虑以下方面:

（1）桥梁抗震设防烈度为7度,设计基本动加速度值为0.15 g,需重视桥梁抗震设计；

（2）潮州作为国家历史文化名城,是潮州文化的重要发源地,同时是粤东地区文化中心,主桥宜适度注重景观设计,着力打造为符合美学要素同时具有地域文化气息的滨水建筑。

（3）本项目面临工期压力大的特点,桥型方案要着重从节约投资、缩短工期、提高施工期安全度考虑。

结合以上项目特点,推荐了以下三种桥型方案进行综合比选。

3 桥型方案比选

3.1 方案简介

3.1.1 预应力混凝土连续箱梁

方案一主桥总体布置为90 m+150 m+90 m,主桥总长330 m,采用预应力混凝土连续箱梁,见图1。

图1 方案一桥型布置立面（单位:cm）

（1）结构体系

梁桥常用的结构形式主要有连续箱梁或连续刚构。连续刚构采用墩梁固结体系,桥墩可以分配墩顶一部分弯矩,提高了竖向刚度,减小了主跨墩顶及跨中内力,省去了主墩处支座,避免大吨位支座的养护和更换,省去后期养护费用。但对于类似本项目的高烈度地震区,上部结构重量大,下部结构地震响应大,需采用较大的下部尺寸及配筋来抵抗地震效应,经济性较差。而连续箱梁体系可以通过设置减隔震措施大大降低下部结构地震力,减小下部结构尺寸及配筋,具有良好的经济效益。

（2）上部结构

单幅箱梁尺寸:顶板宽16.75 m,底板宽8.75 m；梁高:根部9 m,高跨比为1/16.67；跨中3.5 m,高跨比为1/42.86；腹板厚度:0.50～0.705～0.90 m；纵向预应力:顶板束采用15-22和15-19,顶板直接锚固和下弯相结合,以克服主拉应力；腹板束采用15-22；边跨底板合龙束采用15-22；中跨底板合龙束采用15-25。横向预应力束:采用15-3,单端交错张拉。

（3）下部结构

主墩采用整体基础,分幅墩身；桥墩采用空心薄壁墩,墩身截面尺寸8.75 m×3.5 m；采用群桩基础,桩基采用钻孔灌注桩。承台采用矩形倒圆角,外轮廓尺寸为11.8 m×43.0 m,承台厚5.0 m。整幅式承台下设12根直径D250 cm钻孔灌注桩。

过渡墩采用分离基础、分离墩身的结构形式,过渡墩采用截面尺寸为9.25 m×2.5 m的实心墩。采用群桩基础,桩基采用钻孔灌注桩。承台采用矩形倒圆角,外轮廓尺寸为7.5 m×14.0 m,承台厚3 m。单幅桥承台下设6根直径D180 cm钻孔灌注桩。

减隔震体系纵向采用粘滞阻尼器+抗震球型钢支座的减隔震措施,横桥向采用弹塑性钢阻尼+抗震球型钢支座,纵横向正交分离。

3.1.2 波形钢腹板预应力混凝土连续刚构

方案二主桥总体布置为90 m+150 m+90 m,主桥总长330 m,采用波形钢腹板预应力混凝土连续刚构,见图2。

图2 方案二桥型布置立面（单位:cm）

（1）上部结构

上部结构主梁采用波形钢腹板预应力混凝土主梁。

单幅箱梁尺寸:顶板宽16.75 m,底板宽8.75 m；梁高:根部9 m,高跨比为1/16.67；跨中3.75 m,高跨比为1/40；除端横梁及根部墩上0号和1～3号块腹板分别为混凝土腹板及钢－混凝土组合腹板外,其余均为波形钢腹板,波形钢腹板钢材为Q345qc,钢板厚12～25 mm,采用1 600 mm长波腹板。跨中设置5道横隔板。

波形钢腹板PC箱梁纵向预应力钢束分两种:体内束和体外束。体内束设置同通常的预应力混凝土连续梁,主要用于承担一期恒载及施工时的临时荷载,而体外束的作用则用于承担二期恒载及运营阶段的活载。纵向体内预应力:顶板束采用15-22,中跨底板合龙束采用15-22和15-19；边、中跨顶板合龙束采用15-12；边跨顶板合龙束采用15-19。纵向体外预应力:采用TSK15-22环氧喷涂无粘结成品索锚具采用可调可换式体外束专用夹片式锚具。横向预应力束:采用15-4,单端交错张拉。

波形钢腹板与混凝土顶板的连接采用波形钢腹板顶端焊有翼缘板与穿孔板的Twin-PBL键连接方式,与底板的连接则采用S-PBL与栓钉连接方式；波形钢腹板与横隔板采用开孔钢板剪力键连接；波形钢腹板之间采用重叠贴角焊接形式。

（2）下部结构

主墩采用整体基础,分幅墩身；桥墩采用双肢薄壁墩,墩身截面尺寸8.75 m×2.2 m；采用群桩基础,桩基采用钻孔灌注桩。承台采用矩形倒圆角,外轮廓尺寸为11.8 m×43.0 m,承台厚5.0 m。整幅式承台下设12根直径D250 cm钻孔灌注桩。

过渡墩采用分离基础、分离墩身的结构形式,过渡墩采用截面尺寸为9.25 m×2.0 m的实心墩。采用群桩基础,桩基采用钻孔灌注桩。承台采用矩形倒圆角,外轮廓尺寸为7.5 m×14.0 m,承台厚3 m。单幅桥承台下设6根直径D180 cm钻孔灌注桩。

3.1.3 双塔双索面斜拉桥

主桥总体布置为75 m+150 m+75 m,主桥总长300 m,主桥为双塔双索面钢-混凝土组合梁斜拉桥,见图3。

图3 方案三桥型布置立面（单位:cm）

（1）结构支承体系

本桥采用墩塔梁固结的刚构体系,过渡墩设减隔震支座。

（2）主梁

主梁采用双工字型钢主梁,主梁间距为29.5 m。工字钢主梁跨中高2.24 m,墩顶22.5 m范围内由2.24 m加高至3.24 m。横隔梁采用工字型截面并与桥面板连接,全桥间距为3 m,以减小桥面板受力及满足全桥抗扭刚度要求,并在横梁中部设置了全桥通长的小纵梁。混凝土桥面板设计采用分块预制吊装、板间设现浇缝的方式,混凝土板厚为26 cm,采用C55混凝土。

（3）拉索

本方案拉索采用标准强度1 770 MPa镀锌平行钢丝拉索,空间呈竖琴形布置,每索面5根；钢主梁梁上索距12 m,塔上索距2×5.6 m+2×6 m。拉索锚固方式在索塔上采用环向预应力锚固,在主梁上采用锚拉板锚固。斜拉索布置在主梁两侧,主梁标准索距12 m。

（4）主塔及下部结构

主桥推荐采用H形塔身。主梁以上塔高约33.5 m,采用5～7.4 m单箱单室变截面,采用C50混凝土。主梁以下塔高约30 m,采用2.0 m双肢薄壁,肢间距为5.4 m。

主桥下部结构桩基础采用8根直径2.5～3.0 m的变截面钻孔灌注桩。主墩承台为钢筋混凝土结构,单个承台顺桥向尺寸10.5 m,横桥向尺寸11.1 m,厚度6 m,中间设横系梁连接,采用C40混凝土。

3.2 方案比选

方案比选见表1。

综合分析以上比较情况,方案一在抗震性能、施工工艺成熟度、造价用等方面具有较明显的优势,但后期存在更换支座,养护费用较高,景观性稍差的缺点；方案二在景观效果及工期上有一定的优势,但后期养护维修费用较高,类似桥型国内实施不多,技术成熟度相对较低；方案三具有景观效果突出、施工工期较短的明显优势,但造价相对较高,但本项目对景观要求高,推荐采用方案三。