哥斯达黎加32号公路Río Pacure河工字梁便桥设计实例

刘常伟

（中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710000）

1 工程概况

哥斯达黎加32号公路修复与扩建项目位于哥斯达黎加利蒙省，项目全长108km，本项目为旧路改造，原有道路为双向两车道，现拓宽为双向四车道，项目包含路基、路面、桥梁及交通安全设施。

其中，Río Pacure桥起点桩号K99+516.5，终点桩号K99+819.8，桥梁总长303.3m，左幅老桥作加固处理，右幅为新建，新建桥梁共计11跨，桥梁宽度10.6m，桥梁下部基础为桩基础、桥墩为薄壁墩，上部为先简支后连续预应力箱梁，本桥横跨Río Pacure（巴瓜利）河，河流全长103km，河面较宽，常水位较浅，但由于河流的上游位于山区，落差较大，上游汇水面积较大，在雨季，河流水位容易出现骤涨骤落现象。本桥3#、4#、5#、6#、7#桥墩位于河道中，需修筑一座长24m的钢便桥才能进行桥墩的施工。

2 水文情况及地质情况

2.1 水文情况

通过河道沿线走访及查阅水文资料，获得该河流年水文情况如表1，单位m。

本桥桩基及下部计划的施工时间为1～4月，根据水文资料施工期内最高水位标高为52.37m，控制便桥桥面的标高为52.37+1=53.37m。

2.2 地质情况

根据地质报告显示，本河道为卵石地层，且覆盖较厚，卵石成分为火山岩和玄武岩，岩质较硬，卵石直径较大。

3 钢便桥设计

由于本河道地层为卵石地层，岩质较硬，且有孤石存在，钢管桩难以打入地层，因此便桥基础采用混凝土扩大基础。墩身采用钢筋混凝土薄壁墩，桥台设计为轻型桥台，上部采用工字钢梁。

3.1 桥台设计

桥台扩大基础尺寸为：长6m，宽3m，高1.5m。桥台墙身宽度为1m，高3.4m，长5m，墙身布置单层Φ16钢筋网片，间距20cm，桥台混凝土采用C25号混凝土（图1、2）。

图1 桥台钢筋设计图

图2 桥台总体设计图

3.2 桥墩设计

桥墩基础尺寸为：长6.5m，宽2m，高1.5m，墩身尺寸为：长5m，宽1m，高3m；墩身内布设Φ16钢筋网，间距20cm，桥台混凝土采用C25号混凝土（图3、4）。

图3 桥墩钢筋设计图

图4 桥墩总体设计图

3.3 上部结构设计

上部结构主梁采用H40a工字钢，共13根，间距0.39m，用[12槽钢对主梁上下进行横向连接，间距0.5m，以增强桥面整体受力的性能，桥面上铺设1cm钢板，钢板上焊接Φ16的螺纹钢筋，以增大钢板的抗滑力，护栏采用直径48mm钢管（壁厚3mm）制作，并涂刷红白相间的反光漆（图5～7）。

表1

图5 上部结构示意

图6 H40工字钢横向焊接示意图

图7 便桥总体结构示意图

4 设计验算

4.1 设计概况

综合考虑结构可靠性、经济性及施工工期要求等因素，钢便桥每跨采用13片H40a工字钢作为主梁，计算跨径11.5m，主梁顶面及底面采用[12槽钢横向焊接，间距50cm。

4.2 设计参数

跨中最大荷载P=440kN，见5.3荷载取值；计算跨径L=11.5m；

基础厚度1.5m，墙身高度：3m；H40a工字钢每延米67.6Kg；钢板厚度1cm，宽度4.5m，密度ρ=7850kg/m3；弹性模量E=2.06×105MPa；横截面积A=86.07cm2；截面抵抗矩W=1.086×103cm3；截面惯性矩I=2.17×104cm4；H40a工字钢容许弯应力[σw]=145MPa；安全系数C=1.3；H40a工字钢容许剪应力[τ]=85MPa；

4.3 荷载取值

根据该桥梁实际受力情况，荷载取值如下：

4.3.1 永久作用荷载

永久作用的标准值：工字钢及钢板的自重，其他可忽略不计。

4.3.2 可变作用荷载

可变作用的标准值按公路-I级汽车荷载设计，即桥梁计算跨径小于等于5m时，Pk=270kN；桥梁计算跨径等于或大于50m时，Pk=360kN；在5～50m之间时，Pk采用直线内插求得，该桥梁计算跨径为11.5m，即Pk=293kN。

则该桥梁作用总荷载P=P永久+Pk=147kN+293kN=440kN。

4.4 上部结构验算（图8）

图8 单跨便桥受力示意图

（1）最大弯矩：跨中处

根据便桥设计，采用集中荷载进行验算：

Mmax=1/4PL=1/4×440×11.5=1265kN

因此，最大弯压应力：

σmax=Mmax/W=1265×1000/1086=1165MPa；

单根H40a工字钢最大弯应力σ=σmax×C/13=1165×1.3/13=116.5MPa，根据路桥施工计算手册查表得其容许弯应力[σw]=145MPa，σ＜[σw]，即满足抗弯要求；

（2）最大剪力：支座处

Τ=1/2P=220kN

工字钢最大剪应力τmax=T/A=220kN/86.07cm2=25.6MPa

因此，单根H40a工字钢最大剪应力:

τ=τmax×1.3/13=2.6MPa，根据路桥施工计算手册查表得其容许剪应力[τ]=85MPa，τ＜[τ]，即满足抗剪要求；

（3）最大挠度：跨中处

fmax=PL3/48EI=440×11.53/（48×2.06×105MPa×2.17×104cm4）=0.31m；

（6）创新科技产品：智能家居、AR/VR产品、无人机、机器人、智能穿戴、数字医疗、健康运动数码、节能环保等新技术、新能源产品等。

因此，单根H40a工字钢最大挠度变形量f=0.31/13=24mm，查表得其容许变形量[f]=L/400=29mm，f＜[f]，即变形量满足要求；

4.5 桥梁下部结构验算

4.5.1 稳定性验算

一是桥台验算。

（1）倾覆稳定性验算。

抵抗倾覆的稳定系数按下式计算：

K0=M稳/M倾=xΣPi/[Σ(Piei)+Σ(Tihi)]=x/e0

其中：M稳为稳定力矩；M倾为倾覆力矩；ΣPi为作用于基底竖向力的总和；ΣTi为作用于桥墩各水平力的总和；

F土=K1·γ（H+h）2·tg2（45°-φ）

车辆对土的压力产生的扩散力F1=293×tg（45°-φ）/b

其中，b为车辆的宽度,取2.5m；则，F1=293×0.364/2.5=42.8kN；

即：F总=23.4+72.8=96.2kN

K0=M稳/M倾=G墩×1/（96.2×（H/2+h））

=（（3×1×6+1×3×5）×2.5）×10/（96.2×5）

=1.7

则K0＞K倾=1.5（查表得），即满足抗倾覆要求。

（2）滑动稳定性计算。

抵抗滑动的稳定系数Kc=fΣPi/ΣTi

其中，f为基础底面与地基的摩擦系数，查表得f=0.65；

则Kc=0.65×[（3×1×6+1×3×5）×2.5]×10/96.2=0.65×82.5×10/96.2=5.6

则Kc＞K倾=1.3（查表得），即满足抗倾覆要求。

（3）地基承载力验算。

f=（G墩+G车）/A=[（6×3×1+5×3×1）×2.5×10+293]/（5×1）=224kPa

即，桥台处的地基承载力需大于224kPa。

（4）偏心距验算。

为使恒载基底应力分布均匀，防止基底最大应力σmax与最小应力相差过大，导致基底产生不均匀沉陷和影响桥墩的正常使用，偏心距需处于容许范围内，验算如下：

ρ=W/A=b/6；e0=ΣM/N=x/K0

其中：ρ为墩台基底底面的核心半径；W为墩台基础底面的截面模量，b为基础宽；A为墩台基础底面的面积；N为作用于基底的合力的竖向分力；x为基底重心至偏心方向截面边缘的距离；ΣM为作用于墩台的水平力和竖向力对基底形心轴的弯矩。

则，ρ=W/A=b/6=0.5m；

e0=x/K0=1/1.7=0.58m＜1.2ρ=0.6m；即满足基底偏心距要求。

二是桥墩验算。

（1）稳定性验算（抗倾覆）。

①桥面系重量：单跨G1=147kN

桥墩自重：基础G2=6.5×2.5×1.5×2500=609kN

墩身G3=5×1×3×2500=375kN

②水冲力计算：桥墩受水的冲力Rc=QrFV2/2g

Q为挡水形状系数，Q=1（矩形为1，流水线为0.75）；r为水容重1000kg/m3；F为挡水面积，F=3m2；V为水流速V=5.5m/s ；g为重力加速度10m/s2

Rc=（1×1000Kg/m3×3m2×5.52）/2×10m/s2=45.4kN

稳定力矩WD=（G1+G2+G3）×3m=（147+609+375）×3=3393kN.M

不稳定力矩WB=Rc×（1+3/2）=113.5kN.M相比较桥墩稳定；

反算临界水流速:Rc临=3393/3=1131kN（按便桥墙身高度的1/2处考虑，即1.5+3/2=3m）

临界流速V2临=Rc临×2g/（QrF）=1131×2×10/（1×1000×3）=754m2/s2

即V临=27.5m/s，因该河最大流速为5.5m/s，

K0=M稳/M倾=G墩*3/113.5=2952/113.5=26

则K0＞K倾=1.5（查表得），即满足抗倾覆要求。

综上所述，钢便桥桥墩稳定性满足要求。

（2）地基承载力验算。

f=（G墩+G车）/A=[（6.5×2.5×1.5+5×3×1）×2.5×10+293]/（5×1）=255kPa

即桥墩处的地基承载力需大于255kPa。

（3）偏心距验算。

为使恒载基底应力分布均匀，防止基底最大应力σmax与最小应力相差过大，导致基底产生不均匀沉陷和影响桥墩的正常使用，偏心距需处于容许范围内，验算如下：

ρ=W/A=b/6；e0=ΣM/N=x/K0

其中：ρ为墩台基底底面的核心半径；W为墩台基础底面的截面模量，b为基础宽；A为墩台基础底面的面积；N为作用于基底的合力的竖向分力；x为基底重心至偏心方向截面边缘的距离；ΣM为作用于墩台的水平力和竖向力对基底形心轴的弯矩。

则，ρ=W/A=b/6=6.5/6=1.08m；

e0= x/K0=1.25/30=0.04m＜1.2ρ=1.3m；即满足基底偏心距要求。