大跨径曲线钢箱梁空间体系分析

王 亮

(中冶京诚工程技术有限公司,北京 100176)

进入21世纪以来,我国城市规模不断扩大,人口规模不断增加,城市交通建设规模持续增长,城市与城市之间的沟通更加紧密,人员与物资的流通更为频繁。因此,公路交通和城市交通在此基础上得到了快速发展,平面交通往往不能满足现实和发展的需求,交通逐渐往空间、枢纽形式发展,大规模城市立交和互通枢纽成为必然选择的建造形式。城市立交和互通枢纽设计建造主要以桥梁结构形式为主,由于环境条件的制约,桥梁结构往往需要跨越既有道路、铁路和水系等各种障碍物,道路线形也是多为平面曲线。桥梁结构需要适应道路平面曲线,预制装配式桥梁为直线预制,在曲线桥的布设上存在一定的困难;现浇桥梁可以适应各种线形,但是现浇桥梁往往需要占用较多的桥下空间资源,需要较长的施工工期,对于曲线桥梁和节点工程也不适用。钢箱梁桥以其结构轻盈、适应各种曲线线形、施工工期短、占用道路资源少等优点,成为曲线桥梁和节点工程桥梁结构普遍选择的结构形式[1-2]。

针对公路和城市道路工程,钢桥一般作为混凝土桥梁的有效补充。钢桥往往采用钢箱梁桥和钢混组合梁桥,主要有以下几个特点:

1)需要跨越既有道路等构造物的大跨径位置,一般跨径大于50 m;2)采用混凝土桥梁高受限制的位置,钢箱梁可以有效减小梁高和道路纵坡;3)对于施工工期有一定要求的位置,钢桥可以有效减少工期;4)地震设防烈度较高的位置,钢结构相对混凝土结构质量可以有效减小,以减小地震水平力。

1 工程概况

厦门翔安隧道进出口接线工程(西滨互通提升改造)是拓展厦门城市发展空间,构建海湾型城市的需要,是完善翔安区路网格局,提升道路通行能力的需要,是缓解进出岛压力的需要。本项目C1匝道桥跨越翔安大道、翔安西路、地铁4号线、E匝道以及还原路,跨越位置采用钢箱梁结构形式。跨越翔安西路桥梁跨径为54 m,跨越地铁4号线跨径为68 m,桥梁立面如图1所示。道路平曲线半径为R=145 m,缓和曲线参数为A=85.147 m,桥梁宽10 m。

桥梁结构设计技术标准如下:

道路等级:一级公路;设计速度:40 km/h;设计荷载:汽车荷载,公路-Ⅰ级(城-A级校核);地震动峰值加速度系数:0.15g;抗震设防烈度:7度;桥梁抗震设防分类为B类,抗震措施等级为三级,抗震设计方法为1类。桥梁上部结构采用Q420钢材,下部结构桥墩墩身采用C40混凝土,桥墩基础采用C30混凝土,钢材和混凝土材料技术特性见表1。

表1 桥梁材料特性表

2 桥梁整体方案比选

针对桥梁所处地形地貌情况,结合桥梁所跨越的道路情况,按以下原则进行拟定桥梁设计方案:

1)遵循总体规划和道路交通规划,充分重视用地规划、周边道路的交通组织,满足规划的功能要求。2)桥梁结构设计从安全、适用、耐久、经济、环保、美观、施工快捷等角度制定方案。3)桥梁结构在满足使用功能的前提下,方案的选择应因地制宜、简洁美观,做到规格标准化,以期方便施工,缩短工期,降低工程造价。4)针对桥面伸缩缝及桥面排水系统等细节部位进行详细设计,保证运营阶段行车的平顺和安全。5)桥梁结构设计方案要注重景观协调,主梁和桥墩结构设计与既有桥梁和环境相适应。6)秉承绿色道路建设理念,结合桥梁所在区域的资源、生态环境,以资源利用最佳、能源消耗最小、污染排放最少、技术先进的原则进行设计。

在此原则的指导下,桥梁结构拟采用钢箱梁结构形式,钢箱梁结构轻盈、施工方便、节能高效,相比混凝土桥梁具有明显的优势。

桥梁方案采用四种方案进行研究分析比选,分别是方案一54 m和68 m跨径简支结构、方案二(54+48+68)m连续结构、方案三(54+48+68+48)m连续结构、方案四(54+48+68+48)m连续刚接墩结构形式。

针对以上四个方案的跨中正弯矩、支点负弯矩和扭矩进行了计算分析,结果见表2,绘制成图见图2,图3。

表2 结构内力比选表 kN·m

从表2,图2可以看出,简支梁跨中弯矩最大。由方案一调整为方案二增加48 m中跨后,54 m跨跨中弯矩减少约11%,68 m跨跨中弯矩减少23%,但是方案二存在的问题是边跨68 m,中跨48 m,边中跨比例不协调。因此,考虑给方案二增加一个边跨,为方案三,调整68 m跨弯矩,调整后,方案三相对于方案二68 m跨跨中弯矩减少23%,支点负弯矩减少5.5%。方案四相对于方案三增加了墩梁固接,从计算数据可以看出,墩梁固接没有显著改变连续梁的受力状态。

从表2,图3可以看出,简支梁跨中扭矩最大。方案二相对于方案一扭矩减少21%,方案三相对于方案二扭矩减少12%,方案四相对于方案三扭矩减少23%。因此可以判断,连续梁相对于简支梁抗扭性能改善很多,固结体系相对于连续体系抗扭性能也有明显的改善。

从弯矩和扭矩以上两个方面进行分析,墩梁固接体系不会明显改变连续体系竖弯方向结构受力,但是明显改善了结构的抗扭性能,而且从构造上可以显著增加桥梁的稳定性和安全储备。因此,对于此种大跨径曲线梁桥,采用连续体系,辅以墩梁固接构造是最优的设计方案。

3 结构抗倾覆分析

自2007年以来,国内一些桥梁尤其是宽度较窄的匝道桥发生了横桥向倾覆事故,造成了财产和生命的损失。从这些事故可以发现,倾覆垮塌的桥梁结构为整体垮塌,未出现主梁断裂等强度破坏,破坏为稳定性问题。事故的基本特征为:

1)桥梁均采用整体式箱形截面,多为匝道桥,桥宽较窄。2)桥梁结构形式多为钢箱梁,钢箱梁结构自重相对于混凝土桥梁更轻,抗倾覆力矩更小。3)桥台或过渡墩支座间距偏小,墩柱采用了独柱单支撑设计,结构多为连续体系直线梁桥或曲线梁桥。4)车辆载重为设计荷载的2倍～4倍,远超汽车设计荷载,重载车辆靠外侧边缘行驶,甚至并行在外侧停车驻留。

桥梁结构的横向倾覆稳定性问题与桥梁结构的体系和支撑布置具有直接的关系,尤其是曲线钢箱梁桥抗倾覆特性尤为复杂[3-5]。

本项目对以上拟定的四种桥梁方案进行抗倾覆分析,以确定最优的桥梁体系和支撑体系。

整体式箱梁常规支座间距约为桥宽的1/3,本桥桥宽10.0 m,支座间距取3.0 m,经计算,各方案桥梁抗倾覆安全系数见表3。

表3 支座间距3.0 m对应倾覆稳定系数

从表3中可以看出,针对该大跨径小半径曲线钢箱梁桥按常规支座间距抗倾覆安全系数均不满足规范要求;方案一简支体系桥梁抗倾覆安全系数最小,不足1.0,因此说明曲线钢结构桥梁不宜采用简支体系结构;改为连续体系后,抗倾覆安全系数逐渐增大,针对方案三和方案四,采用连续体系和固结体系抗倾覆稳定系数基本一致。

因此,将钢箱梁支座间距增大为5.0 m,经计算,各方案桥梁抗倾覆安全系数见表4。

表4 支座间距5.0 m对应倾覆稳定系数

从表4中可以看出,支座间距增大到5 m后,抗倾覆安全系数增加较多,除简支方案不满足规范要求外,其余连续结构均满足规范要求。因此针对大跨径小半径钢箱梁桥支座间距建议不小于1/2桥宽。

4 结构抗震分析

桥梁抗震设计分两阶段,分别为E1和E2,一般设计原则如下:

1)地震水平与桥梁上部结构重量呈线性关系,上部结构宜选用结构自重轻的结构形式,钢箱梁结构相对于混凝土结构重量显著降低,宜优先选用。

2)保证桥墩的统一设计状态,比如统一按弹性设计或者延性设计,尽量采用弹性设计。

3)如桥梁进入塑性,充分考虑桥梁的延性设计,塑性铰区应保证箍筋的体积配箍率,以保证能力保护构件的抗剪能力。

4)桥梁支座是上部结构与下部结构之间重要的传力构件,直接承担地震水平力,设计应重点核算支座承载力[6]。

根据桥位的勘察资料表明,拟建场地无活动断裂通过,根据JTG B02—2013公路工程抗震规范及GB 18306—2015中国地震动参数区划图,拟建场地基本地震动峰值加速度为0.15g,反应谱特征周期为0.45 s,抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第三组。

本项目桥梁抗震设防分类采用B类,抗震措施采用三级措施等级,抗震设计方法采用1类。

采用Midas有限元模型建立C1匝道桥有限元模型,如图4所示。

根据建立的有限元模型,地震作用方向以联端连线为基准设置,进行计算E1地震作用下的承载力验算和E2地震作用下能力保护构件验算。经计算,E1地震作用下桥墩纵桥向弯矩图如图5所示。

从图5中可以发现,固结墩处桥墩纵桥向弯矩最大,从设计合理和经济性考虑,固结墩采用双排并置主筋,其余桥墩配筋采用单排主筋,经计算,桥墩承载力满足规范要求,见表5。

表5 E1地震作用下桥墩承载力

E2地震作用下首先考虑采用延性设计理念,墩梁固结处产生塑性铰。首先分析桥墩的弯矩曲率曲线,桥墩配置一排钢筋和两排钢筋的弯矩曲率曲线分别如图6,图7所示。

桥墩配置两排钢筋,极限弯矩为32 319 kN·m,屈服弯矩为40 225 kN·m,塑性铰区剪力为4 469 kN;桥墩配置1排钢筋,极限弯矩为22 207 kN·m,屈服弯矩为25 318 kN·m,塑性铰区剪力为2 813 kN。因此,从理论分析,桥墩配筋越多,塑性铰区剪力越大,能力保护构件越不容易计算通过。根据规范要求,在E2地震作用下,当结构未进入塑性工作范围时,桥梁墩柱的剪力设计值、桥梁基础和盖梁的内力设计值可用E2地震作用的计算结果。经计算,E2地震作用下桥墩弯矩为25 845 kN·m,剪力为547 kN。E2地震作用下桥墩承载力见表6。

表6 E2地震作用下桥墩承载力

经计算,在E2地震作用下桥墩配置两排主筋桥墩强度满足规范要求,不会发生屈曲,产生塑性铰,能力保护构件计算桥墩剪力可采用E2作用下桥墩剪力547 kN,仅为产生塑性铰时剪力的20%,能力保护构件计算通过。

支座是影响桥梁抗震计算承载力的重要构件。根据规范要求,如桥梁固定支座水平抗震能力不满足规定时,应通过计算设置连接桥梁梁体和墩柱间的剪力键,由剪力键承受支座所受的地震水平力[7]。本项目桥梁支座采用盆式支座,盆式支座水平承载力仅为竖向承载力的10%,无法满足抗震水平承载力要求,因此设置抗震锚栓,抗震锚栓采用双肢槽钢。支座抗震计算结果见表7。

表7 地震作用支座位移计算

经计算E2地震水平力为2 341 kN,固定支座水平抗力为1 000 kN,该联锚栓抗力为3 835 kN,联合抗力为5 035 kN,满足要求。

5 结论

1)针对大跨径曲线匝道桥,鉴于钢箱梁结构自重轻、抗扭刚度大、施工速度快等特点,宜优先选用钢箱梁结构。

2)对于桥梁体系的选择,简支体系桥梁跨中弯矩最大、扭矩大,曲线钢箱梁桥不宜选用简支结构。连续桥梁体系能显著降低跨中弯矩和扭矩,宜优先选用连续体系桥梁。同时,根据桥梁纵坡、曲线半径等要求,亦可选用固结体系,固结体系受力与连续体系相比变化不大,但是能显著提高结构安全的冗余度。

3)钢结构相对于混凝土结构自重较小、抗倾覆力矩小,其稳定性应重点关注,曲线钢结构桥梁支座间距建议按不小于1/2桥宽布置,需要时可适当增加配重。

4)钢结构桥梁由于自重轻,对于抗震是有利的。抗震体系的选择,如按延性理念设计,导致箍筋配筋过多,主筋配筋偏少,延性体系产生的塑性铰无法恢复,同时固定墩与其他墩最终状态不一致,因此建议根据支座体系情况,不同的墩采用不同的配筋形式,保证E2状态下不进入塑性,均处于弹性稳定状态。盆式支座水平承载力一般不能满足抗震的要求,需要增加竖向抗震锚栓补充承担地震水平力。