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山区PC梁桥工程设计研究

2021-03-12

工程技术研究 2021年4期
关键词:四阶高墩梁桥

中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710075

在桥梁建设过程中经常遇到地形起伏的情况,我国针对这种情况最常采用的结构是PC梁桥。PC梁桥是指预应力混凝土梁桥,该梁桥采用的材料是普通混凝土,通过给梁桥施加预应力形成PC梁桥[1]。这种结构具有强度高、抗弯性能好等特点,被广泛应用于桥梁建设。我国PC梁桥的建设主要集中在西部地形较陡、起伏较大的地区[2]。该梁桥的广泛应用有利于缩小东西部的发展差距,促进地域沟通。故结合我国地理环境特征分析,PC梁桥的设计具有重要的意义和价值。然而我国PC梁桥设计水平还有待提高,对于PC梁桥的认知还有待补充,为此,文章主要针对PC梁桥的设计进行研究,为我国桥梁建设提供理论依据。

1 PC梁桥的设计原则及流程

PC梁桥的组成与普通桥梁相同,可以分为上部结构、下部结构、支座系统、附属设施。按材料分类可以分为钢筋混凝土梁桥、预应力混凝土梁桥、钢桥、组合梁桥[3]。

由于桥梁所处的地理环境不同,因此设计过程中的侧重点也不同。山区桥梁所处的地理环境复杂,设计的重点应主要集中在下部结构,主要是桥台和基础的设计,需要全方位、多因素考虑。下部结构的设计会直接影响上部结构,当下部结构土质较松软,需对土体进行相应处理时,应对上部结构进行加固,同时做好桥与路、桥与隧道的连接。

1.1 设计原则

随着我国经济的发展,科学发展观的继续深化,以及资源节约型与环境友好型社会的建立,人们的环境保护意识越来越强。在山区桥梁建设过程中应尽可能减少对原地形地貌的破坏,要因地制宜,做到公路桥梁与自然环境的和谐统一。因此,在桥梁建设过程中应遵循技术先进、安全可靠、适用耐久、经济美观的原则,做到保护环境与可持续发展。

1.2 设计流程

在PC梁桥的设计过程中应遵循以下流程:首先对PC梁桥进行参数确定;然后确定边界条件建立微分方程,对桥梁进行区域划分,分节分析;最后利用微积分原理进行计算,对问题细化求解,达到对桥梁进行单元节点分析的目的。在山区PC梁桥的设计中应注重以下内容。

(1)由于地质条件的限制,在山区PC梁桥建设过程中,应做好前期桥位的地质勘探。相比非山区梁桥,山区梁桥设计的重点在下部结构,因为下部结会影响上部结构的强度、可靠度以及桥梁整体结构。因此,在山区PC梁桥建设过程中应重视桥位的选择。

(2)在山区PC梁桥的设计过程中应重视与自然环境以及相连构造物的协调统一。例如,设计时应注意与道路以及隧道连接,保证桥梁与道路的高程一致,从而避免出现桥头跳车现象。要保证桥梁与隧道的连接,保证二者的协调性以及高程一致。

(3)在山区桥梁建设过程中应注重桥位与自然环境相融合,尽量采用材质轻、占地少的桥台,减少对原有地面的开挖量,保护生态环境。

(4)山区PC梁桥多采用悬臂现浇的施工方法,由于受环境以及温度变化的影响较大,因此要保证施工质量和精度,加强施工监控。

2 PC梁桥设计分析

2.1 方案比选

由于PC梁桥的设计过程中会受到众多因素的影响,因此需进行方案比选。每种方案受地质条件约束越大,则对基础要求越高,受地理环境的影响也越大。

地质条件:桥梁线位受断层F1影响,桥梁主跨有岩溶发育;受断层F2的影响,桩位岩石呈砾状,岩石裂隙发育,岩体较破碎。

地理环境:文章案例桥梁线位处于地理环境较为复杂的山区,线位经过段有沟涧、水田以及地下河等,桥梁一端与隧道相接。

桥墩高度:案例桥梁的主墩高度多为60~110m,桥墩较高。

通过对以上地质条件、地理环境、桥墩高度等的综合分析,文章选择以主墩为空心墩的PC连续刚构桥。

2.2 桥梁总体概况

研究采用的是PC连续刚构桥,设计荷载采用公路-Ⅰ级,桥面净宽为23.5m,设计洪水频率为1/300,孔径分布65m+3×120m+65m。桥梁的截面形式为单箱单室的变截面,桥梁主墩为空心墩。主墩高度分别为83m、106m、96m、60m。

2.3 建立模型

永久作用:永久作用中一期恒载为箱梁结构;二期恒载取值为65kN/m,预应力采用钢绞线fpk=1860MPa,Ep=1.95×105MPa。

可变作用:汽车荷载采用公路-I级,温度作用取值时体系升温和降温按25℃计算,主梁梯度温差按照桥梁规范规定进行计算,升温梯度T1为14℃、T2为5.5℃;降温梯度T1为-7℃、T2为-2.75℃

作用组合:(1)恒载;(2)恒载+汽车荷载;(3)恒载+支座沉降+汽车荷载+升温梯度+体系升温;(4)恒载+支座沉降+汽车荷载+降温梯度+体系降温。

文章结合桥梁自身结构特点以及有限元计算软件的特性采用《桥梁博士》软件对上部结构和下部结构进行计算分析;用Midas软件对桥梁进行屈曲稳定性的分析等。此次模型建立过程中梁单元共建立308个、节点331个。有限元模型如图1所示。

图1 PC梁桥模型图

2.4 模型分析

(1)自振特性。通过有限元建立的模型进行桥梁的自振特性分析,前四阶振型结果如表1所示。通过对桥梁前四阶的自振特性进行分析可以看出,PC梁桥采用高墩结构时,因为高墩结构的柔性较大,刚度较小,所以振型主要表现在上部结构。前两阶主要是桥梁横向和纵向的偏移,而三、四阶主要出现的是扭转。

表1 桥梁自振特性

(2)屈曲稳定性。在桥梁自身重力、桥面铺装荷载、预应力的作用下,对桥梁结构进行屈曲稳定分析,结果如表2所示。由表2可知,前四阶的屈曲模态主要表现为高墩屈曲,这说明高墩的刚度对屈曲稳定系数的影响较大。

表2 桥梁屈曲稳定性

2.5 上部结构计算

(1)正常使用状态抗裂验算。通过有限元建立的模型进行桥梁在短期效应组合下的抗裂验算,最终得出的结果如表3所示。由表3可得,PC梁桥在短期效应组合下的抗裂验算满足要求。同理对正常使用状态下的应力及挠度进行验算,最终结果显示PC梁桥的应力和挠度均满足要求。

表3 PC梁抗裂验算表

(2)极限承载状态抗剪验算。通过对PC梁桥主梁在极限承载状态下斜截面抗剪性能进行验算得到以下结果:在梁桥墩顶位置的最大剪力为-20220.6kN,抗剪强度为-39704.1kN。因此斜截面抗剪强度满足要求。

3 结论

(1)依托我国某PC梁桥进行模拟计算分析可得,PC梁桥采用高墩结构时,梁桥自振特性前两阶时主要是桥梁横向和纵向的偏移,而三、四阶时主要出现的是扭转。在屈曲稳定性验算时PC梁表现为高墩屈曲,说明高墩的刚度对屈曲稳定系数影响较大。

(2)对桥梁上部结构进行了验算,结果显示,PC梁桥在正常使用状态下的抗裂性能,以及在极限承载状态下的斜截面抗剪性能均满足要求。

综上所述,文章对实际工程进行模拟分析以及上部结构计算,最终计算结果表明该梁桥设计合理。

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