大跨徑剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與探討

1、大跨徑剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與探討 作者： | 來源： | 時間： 2006-3-2 9:37:52 摘要本文介紹了布跨138 + 240 + 240 + 240 + 138 = 996m的剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計情況 ,并以之為例探討了該類型橋在結(jié)構(gòu)方案比選、設(shè)支座主繳的結(jié)構(gòu)型式、 支座力的平衡措施、計算模式以與一些其他方面的問題。關(guān)鍵詞 大跨徑 剛構(gòu)一連續(xù)組合梁 結(jié)構(gòu)設(shè)計 探討一、前言在大跨徑橋型方案比選中，連續(xù)梁橋型仍具有很強的競爭力。連續(xù)梁橋型在結(jié)構(gòu)體系上通?？煞譃檫B續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋和剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋。后者是前兩者的結(jié)合，通常是在一聯(lián)連續(xù)梁的中部一孔或數(shù)孔采用墩梁固結(jié)的剛構(gòu)

2、，邊部數(shù)孔解除墩梁團結(jié)代之以設(shè)置支座的連續(xù)結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上又可分為在主跨跨中設(shè)鉸、其余各跨梁連續(xù)和全聯(lián)不設(shè)鉸的組合梁橋兩種形式，通常稱后者為剛構(gòu)一連續(xù)組合梁。在我國已建成的該橋型的比 較典型的例子有東明黃河大僑，跨徑比之更大的該類型橋現(xiàn)已初見嘗試。二、剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋的結(jié)構(gòu)受力特點與應(yīng)用1 結(jié)構(gòu)特征與受力特點在連續(xù)梁橋中，將墩身與主梁團結(jié)而成為連續(xù)剛構(gòu)橋。由于墩身與主梁形成剛架承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，一方面主梁受力合理，另一方面墩身在結(jié)構(gòu)上充分發(fā)揮了潛能，因此該 橋型在我國得到迅速的應(yīng)用和發(fā)展 2 。具有一個主孔的單孔跨徑已達 270m ，具有多個 主孔的單孔跨徑也達 250m ，最大聯(lián)長達 10

3、60m 。隨著新材料的開發(fā)和應(yīng)用、設(shè)計和施 工技術(shù)的進步，具有一個主孔的單孔跨徑有望突破 300m 的潛力。而對于多跨一聯(lián)的連 續(xù)剛構(gòu)是不是也能在聯(lián)長上有更大的發(fā)展呢？眾所周知，墩身內(nèi)力與其順橋向抗推剛度 和距主梁順橋向水平位移變形零點的距離密切相關(guān)?？雇苿偠刃〉谋”谑蕉丈砟苡行У?降低其內(nèi)力， 但隨著聯(lián)長的加大， 墩身距主梁順橋向水平位移變形零點的距離亦將加大， 在溫度、混凝土收縮徐變等荷載的作用了，墩頂與主梁一道產(chǎn)生很大的順橋向水平和轉(zhuǎn) 角位移，墩身剪力和彎矩將迅速增大，同時產(chǎn)生不可忽視的附加彎矩，致使剛構(gòu)方案無 法成立。在結(jié)構(gòu)上將墩身與主梁的團結(jié)約束予以解除而代之以順橋向水平和轉(zhuǎn)角位移自

4、 由的支座，這樣就變成剛構(gòu)一連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)形式。于是邊主墩墩身強度問題得以解 決，且在一定條件下聯(lián)長可相對延長?？梢?，剛構(gòu)一連續(xù)組合梁是連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)的 組合，它兼顧了兩者的優(yōu)點而揚棄各自的缺點，在結(jié)構(gòu)受力、使用功能和適應(yīng)環(huán)境等方 面均具有一定的優(yōu)越性。2.在我國的應(yīng)用情況 東明黃河大橋開創(chuàng)了剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋在我國應(yīng)用的先例。 由于放松了多跨連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)呏鞫崭叨鹊囊?，因此剛?gòu)一連續(xù)組合梁橋適用于不同 的地形、地質(zhì)條件、通航要求等。下面將介紹的武漢軍山長江公路大橋初步設(shè)計剛構(gòu)一 連續(xù)組合梁橋方案就是一個典型的設(shè)計實例。目前國內(nèi)在建的典型的大跨徑剛構(gòu)一連續(xù) 組合梁有杭州饒城公路東段錢江六

5、橋，其技術(shù)設(shè)計階段主橋為 127 3 X 232 127 = 950m 的五跨預應(yīng)力混凝土剛構(gòu)一連續(xù)組合梁體系，中、邊主墩均為雙壁墩，中主墩 墩身與主梁固接，邊主墩墩身與主梁分離，分別設(shè)置 4 個 65000kN 的支應(yīng)與主梁連接， 懸臂施工中墩梁通過預應(yīng)力粗鋼筋臨時固接。受地形影響解除邊主墩墩身與主梁固結(jié)的剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋還有黑河大橋，該橋布跨為6016 + 6 X 100 460 = 720m，墩身 為單箱墩，最外邊墩設(shè)支座。剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋還適合于某些特殊布跨情形。 如廈門海滄大橋西航道橋， 布跨為 70 140 十 70 十 42 42(m )，其中兩孔 42m 跨錨碇，避免了設(shè)兩

6、孔連續(xù)或簡支梁， 并減少了伸縮縫。像這樣將邊墩設(shè)支座的小邊跨與連續(xù)剛構(gòu)主體相連而成為非典型的剛 構(gòu)一連續(xù)組合梁橋的橋還有很多。三、設(shè)計實例武漢軍山長江公路大橋初步設(shè)計作了斜拉橋和連續(xù)剛構(gòu)兩個方案同等深度的經(jīng)濟技術(shù)比 較。其中連續(xù)剛構(gòu)方案最初的跨徑布置為 138 24O 240 240 138 (m) ， 三個主跨的四個主墩均為雙薄壁墩，墩身與主梁固結(jié)。設(shè)計中發(fā)現(xiàn)兩個邊主墩由于高度 較矮，受力很不合理，因此，將其與主梁的固結(jié)約束予以解除，橋型變?yōu)閯倶?gòu)一連續(xù)組 合梁的結(jié)構(gòu)形式(后出于總體布跨考慮，將跨徑布置調(diào)整為 138 240 240 240+ 138 + 56 (m )?，F(xiàn)以布跨 138 +

7、240 + 240 + 240 + 138 ( m)的大跨徑剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋的設(shè)計為例對其結(jié)構(gòu)設(shè)計加以介紹和探討。其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介如下：1. 結(jié)構(gòu)體系橋梁分左右兩幅，采用 138 + 240 + 240 + 240 + 138 (m )五跨一聯(lián)三向預應(yīng)力混凝 土剛構(gòu)一續(xù)梁組合梁橋型方案，雙壁墩結(jié)構(gòu)，中主墩墩身與主梁固結(jié)，邊主墩與邊墩墩 頂設(shè)支座。邊主跨比 L邊：L主=0.575 : 1,縱坡3%，縱曲線要素為 T= 510m , R = 17000m ， E=7.65m 。橫坡 2，由箱梁頂板坡度形成。橋面鋪裝為6cm 鋼纖維混 凝土墊平層加 6cm 瀝青混凝土。橋型布置見圖 1界石 爭回cm

8、2.下部構(gòu)造主墩墩身為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用50號混凝土，雙壁墩結(jié)構(gòu)。P2, P5號墩為邊主墩，墩高28m，左右幅每片墩墩頂各設(shè)兩個噸位為60000kN的球形鋼支座，墩身為矩形實心斷面，斷面尺寸 320cmX800cm ，順橋向外緣距12m ； P3，P4號為中主墩，墩 高39.9m，墩身與主梁固結(jié)，墩身為矩形實心斷面，斷面尺寸280cmX750cm 。，順橋向外緣距12m。承臺采用30號混凝土，均為整體式，厚 5m。P2P5兩號墩樁基礎(chǔ) 采用25號水下混凝土，均為18根直徑2 . 5m的鉆孔樁，樁長分別為 55m，35m，40m，37.5m，均按支承樁設(shè)計。下部構(gòu)造平面布置如圖2.P3,P

9、4與P5號墩基礎(chǔ)擬采用雙壁鋼圍堰方案施工，P2號墩擬采用鋼管樁平臺加鋼套箱方案施工。為有效抵抗偶發(fā)的巨大船撞荷載，各主墩均設(shè)計為整體式基礎(chǔ)和承臺。防撞構(gòu)造立足于墩身自身防撞， 因此墩身按實心斷面設(shè)計。MH(kc) . (ow), (oat) .(ozriS2LOK 1 D 布 1 OCZ1臨H52 i3上部構(gòu)造主梁為分離式單箱單室直腹板箱梁，采用50號混凝土。根部梁高h根=13.2m , h根：L主=1 : 18.18 ;跨中梁高h中=4.0m ，h中：L主=1 : 60 ;箱梁底線變化曲線 y = 4.0+ (9.2/114 ) X X。箱梁擬采用對稱懸臂現(xiàn)澆施工工藝，施工梁段長度分為3m

10、, 4m ,5m三種類型，0號塊現(xiàn)澆段17m，合龍段3m。1/2標準跨的分塊布置為：(1/2 ) x120m。最大懸臂施工17m + 10 x 3m + 10 x 4m + 8 x 5m +(1/2 ) x 3.0m =長112 .5m，共28對施工塊件，塊件重量在 140.8234.5t之間。箱梁頂寬16.45m , 底寬7.5m，翼緣板懸臂長4.475m (含承托)，外側(cè)厚15cm，根部厚50cm。0號塊 頂板厚45cm，其他位置頂板厚 28cm 。0號塊腹板厚100cm。向跨中分70cm，60cm，40cm三個梯段變化。根部底板厚 130cm。；跨中底板厚28cm，中間按y = 0.28

11、 + (1.02 / 114 ) Xx變化。箱梁僅在墩項與梁端設(shè)橫隔板，墩頂橫隔板位置與厚度與每 片墩身相對應(yīng)。為增強箱梁整體性，還在墩頂設(shè)置了箱外橫隔板。箱梁橫斷面見圖3.箱梁縱向預應(yīng)力體系采用 15 22，控制張拉力4296.6kN，橫向預應(yīng)力體系采用15 4，控制張拉力 781.2KN?？v、橫向預應(yīng)力均采用 © 15.24mm預應(yīng)力超強、低松弛 鋼絞線，極限抗拉強度為 1860MPa，計算彈性模量E=1.95x10'MPa 。豎向預應(yīng)力體系 采用© 32mm軸軋螺紋粗鋼筋，控制張拉力 542.8kN.箱梁典型斷面縱向預應(yīng)力鋼束布置見圖4.4.結(jié)構(gòu)分析(1 )計

12、算模式順橋向總體結(jié)構(gòu)靜力分析采用平面桿系綜合程序進行。接施工階段將結(jié)構(gòu)分為328個單元325個節(jié)點，共63個施工階段。由于地質(zhì)條件相對較好，因此未按等剛度原理將樁 基礎(chǔ)進行模擬，即不計樁基礎(chǔ)的影響，近似按承臺底固結(jié)考慮。中主墩與主梁固結(jié)，邊 墩為單向交承，計算中計入了邊主墩，結(jié)構(gòu)離散圖見圖5。(2)計算荷載汽車：半幅橋橫向按布置 4 個車隊數(shù)考慮，橫向折減系數(shù)為 0.67 ，縱向折減系數(shù)為 0.97 ，偏載系數(shù) 1.15 。掛車：按全橋布置一輛考慮，偏載系數(shù) 1.15 。滿布人群 :3.5KN/ 平方米二部恒載： 7t m 。溫度：結(jié)構(gòu)體系溫差考慮升溫 20 C,降溫20 C；梁體溫差考慮了由

13、于太陽輻射和其他 影響引起上部結(jié)構(gòu)頂層溫度增加時產(chǎn)生的正溫差與由于再輻射和其他影響，熱量由橋面 頂層散失時產(chǎn)生的負溫差，參照 BS5400荷載規(guī)范取用；箱內(nèi)外溫差為 5 C；橋墩墩體 考慮日照不均勻溫度差：升溫時，兩片墩身的一側(cè)比另一側(cè)和中間高5 C,降溫時，兩片墩身的一側(cè)和中間比另一側(cè)高 5 C。溫度效應(yīng)考慮兩種組合：體系升溫十正溫差十升 溫時墩體溫差，體系降溫十反溫差十降溫時墩體溫差。靜風荷載：施工風速按 30 年一遇，成橋風速按 100 年一遇計。橫橋向風力按規(guī)范公式 計算。船撞力：橫橋向 18400kN ，順橋向 9200kN 。作用點位置按規(guī)范或?qū)ｎ}確定。（3）施工方法與主要工況擬采

14、用懸臂澆注法施工。為確保施工階段單 T 的順橋向抗彎與根橋向抗扭穩(wěn)定性，將 P 2、P5 號墩墩頂與主梁臨時固結(jié)，在次邊跨合龍施工完成后予以解除，完成體系轉(zhuǎn)換。主要工況為；施工基礎(chǔ)與墩身，懸臂澆筑至最大懸臂狀態(tài)，形成單T;滿堂支架澆筑邊跨現(xiàn)澆段，配重施工；邊跨合龍，現(xiàn)澆段支架拆除；次邊跨合龍；中跨合龍， 形成結(jié)構(gòu)體系對施加二部恒載；運營。（4）計算參數(shù)與荷載組合 混凝土：徐變特征終級值 2.3 ，彈性繼效系數(shù) 0.3，徐變速度系數(shù) 0.021 ，收縮特征終級預應(yīng)力：松弛率0.03，管道摩阻系數(shù)0.22，管道偏差系數(shù)0.001 , 端錨具變形與鋼束回縮值0.006m?？紤]五種組合：恒十汽；恒十汽

15、十溫度；恒十掛；恒十滿人；恒十汽十溫度 +船撞力。(5) 計算結(jié)果主梁成橋狀態(tài)與組合的內(nèi)力包絡(luò)圖見圖6:w-ISCn+ira r * Z：lL:J w 11丄irrnuiT ll；!：；：!l aft it* in1M-I5i:E;:lll:I 1tt *RiIT|ii 主梁次邊跨跨中汽車活載撓度為0.111m，中跨跨中為0.096m主梁應(yīng)力：成橋狀態(tài)混凝土應(yīng)力最大約155kg /平方厘米，最小約 26kg /平方厘米，組合混凝土應(yīng)力最大約171kg /平方厘米，最小約 10kg /平方厘米，組合混凝土應(yīng)力最大約 215kg 平方厘米，最小約一 6kg 平方厘米。五、幾個問題的探討1.結(jié)構(gòu)方案

16、比較 在維持主跨規(guī)模不變的前提下，為尋求一個受力合理、結(jié)構(gòu)安全、適用美觀的方案，對結(jié)構(gòu)形式與主墩厚度作了計算比較。比較的方案有138 + 3 X 240 + 138 ( m )連續(xù)剛構(gòu)方案，墩厚 2.5m ； 138 + 3x240 + 138 ( m )連續(xù)剛構(gòu)方案，墩厚 2.1m ; 138 + 3x 240 + 138 (m)剛構(gòu)一連續(xù)組合梁方案， 固接墩厚 2.5m ; 138 + 3 x 240 + 138 (m) 剛構(gòu)一連續(xù)組合梁方案，固接墩厚 2.lm 。經(jīng)過計算分析得出如下結(jié)論：( 1 )相同布跨和墩厚的兩種方案，主梁的內(nèi)力和位移相差較小，中主墩由于高度較大， 且距順橋向變形零

17、點較近，內(nèi)力相差也不大，而邊主墩受力則相差懸殊。在連續(xù)剛構(gòu)方 案中，由于高度較矮，且距變形零點很遠，因此，盡管在設(shè)計上采取了措施，在恒載、 活載與溫降組合工況下，墩身兩端仍產(chǎn)生了很大的彎矩，而且靠外側(cè)的墩身軸力難以提 高，而在剛構(gòu)一連續(xù)組合梁方案中，墩底彎矩是由支座最大靜摩阻力決定的，因此相對 較小，另外墩頂軸力通過配重措施可以得到很好的解決。(2)墩身厚度的降低， 迅速降低了墩身剛度， 從而迅速減小了溫度產(chǎn)生的墩身的荷載效應(yīng)， 對邊主墩效果更為明顯。但墩身厚度同時受截面應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定性的限制，存在一個低 限。2 邊主墩合理型式的選擇對于規(guī)模較小的橋梁，最不利組合下的墩頂豎向力相對較小，支座數(shù)

18、量少且容易布置， 而且最大懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定性問題顯得次要的情況，采用單柱式墩是合適的。但對于大跨徑剛構(gòu)一連續(xù)組合梁橋，從以下幾方面的研究可見，采用雙柱式墩是邊主墩的合理型 式。（1）結(jié)構(gòu)受力比較設(shè)單柱式墩的截面尺寸為 BX2H，雙柱式墩為BXH，中心距2r，墩高相同，如圖7所示。 在其他條件相同的前提下，經(jīng)計算，邊主墩若采用單位式墩，與采用雙柱式墩相比較： 主梁內(nèi)力：中跨跨中的 M , Q，N略有減小，邊跨跨中和次邊跨跨中的 M , Q，N均略 有增大；邊主墩頂和中主墩頂?shù)?N，Q均略有增大，變化值不大，但 M卻增大很多，對 邊主墩頂：成橋狀態(tài)增大 81 %，最不利組合增大45 %，對中主墩頂

19、：成橋狀態(tài)增大1.3 %，最不利組合增大6%;中主墩墩身內(nèi)力：N , Q略有增大，M成橋狀態(tài)增大9%，最不利組合增大8%;主梁撓度；次邊跨跨中汽車荷載撓度增大36 %，中跨跨中汽車荷載增大 8%?？梢姡呁炼詹捎秒p柱式可減小上部結(jié)構(gòu)的計算跨徑，降低箱梁截面內(nèi)力和撓度。（2）采用雙柱式墩有利于施工階段最大懸臂狀態(tài)下的安全性施工階段，由于墩身與箱梁臨時固結(jié)，因此，采用雙柱式墩的順橋向抗彎慣性矩為而采用單柱式墩的順橋向抗彎慣性矩為I =班習尸=0.667BH5對于本橋，前者為后者的 5.92倍。（3）能保證橋梁橫向抗風的要求施工期間，橋梁處于懸臂狀態(tài)，其橫向抗風穩(wěn)定性尤為重要。此時墩頂與主梁固接，對

20、于單柱式墩，當其受到橫橋向扭矩后，柱身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角（見圖7），從而產(chǎn)生抵抗扭矩,對于雙柱式墩，橋墩的抗扭能力由兩部分組成：一是兩片柱身扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抵抗扭矩，二 是由于柱身產(chǎn)生橫橋向水平力 Q，從而產(chǎn)生抵抗扭矩，其值為 Q與2r的乘積，它是雙 柱式墩的主要抵抗扭矩。從數(shù)值上看，后者遠大于前者，因此能保證大跨徑橋梁橫向抗 風穩(wěn)定性的要求。（4 ）構(gòu)造和美觀要求最不利組合下墩頂?shù)呢Q向力決定了支座的數(shù)量，大尺寸的大噸位支座的布置與在施工期 間墩身與主梁的臨時固結(jié)構(gòu)造決定了墩身的最小平面尺寸。對本橋而言，若采用單柱式 墩，其墩身厚度在6m以上，顯得過于厚重，與輕巧的中主墩不協(xié)調(diào)，在材料用量上與 雙柱式墩相差

21、很少。3邊主墩支座力的平衡措施 由于邊主墩距橋梁中心線較遠，加上特定的合龍順序和邊中跨比，在不采取措施的前提 下，兩片邊主墩墩身的豎向力會相差較大，這樣一會導致支座噸位很大且規(guī)格相差懸殊； 二來增加基礎(chǔ)的工程量。為解決此問題，在邊跨合龍前在外側(cè)懸臂端施加配重能較好的 解決。本橋的設(shè)計措施是在邊跨合龍前在外側(cè)懸臂端施加90t的永久配重，其與不配重計算結(jié)果比較見表1 0ft 1駅與干配主製及歐身受力憂較不釐矗冊農(nóng)不科01含Jft小70057879M50359790441鮒話6內(nèi)片轄崗力VfkN）872S71173UW1O37S1霊向力下均勻嚴生的75M9M264L-TO1J-146272可見，配重對平衡邊墩墩頂軸力的效果是明顯的。最大懸臂狀態(tài)下順橋向施工穩(wěn)定性取決于該狀態(tài)下的最大不平衡荷載，其由箱梁已澆筑 梁段的自重偏差、掛籃等機具的安裝偏差、正澆筑梁段的自重偏差、澆筑時的動力系數(shù) 偏差、兩端掛籃裝拆和移位的不平衡和墩身兩側(cè)的風壓不平衡等其中的幾種相組合得出， 其值往往達100t以上。因此，配重施工前采取的有效措施并在良好的施工環(huán)境下，配重施工時順橋向的施工穩(wěn)定性是可以得到保證的。4計算模式的處理中主墩墩身與主梁固結(jié)，