淮河入海大道淮揚(yáng)公路高架橋設(shè)計(jì)

淮河入海大道淮揚(yáng)公路高架橋設(shè)計(jì)

1凝土連續(xù)彎梁結(jié)構(gòu)淮河?xùn)|西航道的淮陽(yáng)公路是淮陽(yáng)公路的一座橋，是淮河?xùn)|西航道洪水期間確?；窗矁?nèi)外交通暢通的重要工程。高架橋主橋與蘇北灌溉總渠和淮河入海水道正交,南端與淮阜路相交,為連接揚(yáng)州、楚州和阜寧三個(gè)方向的全互通式立交,南立交由A、B、C、D四個(gè)匝道橋組成,與正橋設(shè)異型跨相連,平面布置見圖1。匝道橋均采用普通鋼筋混凝土連續(xù)彎箱梁結(jié)構(gòu),跨徑17.5～20m,梁高1.4m,橋面凈寬7m,總寬8m。上部結(jié)構(gòu)梁體采用單箱單室箱形截面,下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺(tái)。由于近年來,彎梁橋在使用過程中,發(fā)現(xiàn)其上部結(jié)構(gòu)易發(fā)生橫橋向的變位,即在橫橋向梁體相對(duì)于墩臺(tái)產(chǎn)生不可恢復(fù)的平面位移,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致支座破壞、梁體側(cè)向滑動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象。這不僅影響橋梁的正常運(yùn)營(yíng),而且加固處理十分困難,經(jīng)濟(jì)損失巨大。此類事故國(guó)內(nèi)已發(fā)生多起,如某市的一六孔預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋,橋梁軸線曲率半徑為255m,該橋在一日午后突然發(fā)生整體側(cè)向滑移和翻轉(zhuǎn),出現(xiàn)嚴(yán)重的工程事故。再如某市的一立交橋,出于抗震安全的考慮,在墩頂與連續(xù)梁相接處,從連續(xù)梁在水平面的四個(gè)方向向下伸出若干鋼樁,如圖2所示;安裝時(shí)鋼樁與墩身均有一定的距離,但在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn),有的樁與墩之間距離比原來增大,有的卻緊貼墩身,更有甚者已經(jīng)剪斷。因此,為防止此類事故在淮河入海水道高架橋南立交上重演,設(shè)計(jì)工程中,對(duì)彎梁橋的側(cè)向變位進(jìn)行了專門的分析和考慮。2防止彎梁橋側(cè)向滑移的側(cè)向限位方案經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)橋梁事故調(diào)查分析,引起彎梁橋側(cè)向滑移的因素有多種,但主要有溫度、車輛離心力及車輛制動(dòng)力影響等。彎梁橋在溫度的影響下,不僅會(huì)產(chǎn)生沿橋縱向的位移,而且會(huì)沿徑向(橫橋向)產(chǎn)生較大位移,其徑向位移的大少,與彎梁橋的曲率半徑、跨徑、上下部結(jié)構(gòu)的連接方式及下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式等有關(guān)。對(duì)于曲率半徑較小或行車速度較大的彎橋,汽車離心力荷載引起的橫橋向位移也很大。如圖3,相鄰兩聯(lián)橋跨若只有其中一聯(lián)上有車輛行駛,如梁體端部均采用了活動(dòng)支座,由于梁體的平面變形不受支座約束,相鄰兩聯(lián)橋跨的端部就會(huì)產(chǎn)生橫橋向位移差,該相對(duì)位移會(huì)影響伸縮縫的使用壽命,甚至導(dǎo)致剪切破壞。梁體發(fā)生橫橋向的位移后由于支座的摩擦力等因素的影響,在外荷載或引起變化的因素消失后,側(cè)向位移并不能全部恢復(fù),長(zhǎng)年累月將會(huì)產(chǎn)生橫橋向位移的累積。國(guó)內(nèi)一些專家將這一現(xiàn)象命名為彎梁橋的“爬移”?；春尤牒Ｋ阑磽P(yáng)公路立交匝道橋彎梁設(shè)計(jì)時(shí),針對(duì)上述這些影響因素,進(jìn)行了逐一計(jì)算分析,并考慮了多種側(cè)向限位方案,本文列示兩種防止彎梁橋側(cè)向滑移的側(cè)向限位方案,并以A匝道橋第3聯(lián)梁為例說明(簡(jiǎn)稱A3匝道彎梁)。方案Ⅰ:如圖4所示,10#墩頂采用固定支座,9#、11#墩頂采用單向活動(dòng)支座,8#墩和12#臺(tái)頂?shù)耐鈧?cè)支座采用雙向活動(dòng)滑板支座,內(nèi)側(cè)采用單向活動(dòng)盆式橡膠支座,其中單向活動(dòng)支座的活動(dòng)方向均與梁體軸線的切線平行。方案Ⅱ:8#墩和12#臺(tái)頂?shù)碾p支座均采用雙向活動(dòng)滑板支座,其余同方案Ⅰ。3主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對(duì)上述兩種方案,A3匝道彎梁的分析結(jié)果如下:A3匝道彎梁的平面曲率半徑為43.75m,跨徑為4×17.5m。如圖4所示,順橋向的8#～11#橋墩高度依次為4.2、1.8、5.9、4.9m,8#縫墩和12#臺(tái)采用雙柱式墩臺(tái)。中間橋墩采用?130cm的獨(dú)柱墩,伸縮縫處橋墩(以下簡(jiǎn)稱縫墩)及橋臺(tái)采用2?110cm的雙柱墩。縫墩墩頂加設(shè)高120cm的蓋梁;基礎(chǔ)為2?120cm的單排樁,樁頂設(shè)承臺(tái)。計(jì)算時(shí)采用空間有限元法,對(duì)淮河入海水道淮揚(yáng)公路高架橋南立交匝道橋彎梁進(jìn)行空間分析。并采用上下部結(jié)構(gòu)整體聯(lián)算的計(jì)算方法,橋跨的上部結(jié)構(gòu)采用空間三維實(shí)體單元,下部結(jié)構(gòu)采用空間三維梁?jiǎn)卧?上下部結(jié)構(gòu)的連接按照支座類型而定,即分固定支座、單向活動(dòng)支座和多向活動(dòng)支座;且采取換算等效樁長(zhǎng)的方法,考慮基樁與土的共同變形,即計(jì)算樁基頂部的水平彈性系數(shù)、轉(zhuǎn)角彈性系數(shù)和彎剪系數(shù),再等效換算成一定樁長(zhǎng)和截面的單元。計(jì)算時(shí)對(duì)彎梁橋平面變形影響較大的因素逐一加以分析,除橋跨自身的恒載外,主要考慮了溫度影響(主要是季節(jié)溫差)、車輛荷載影響(主要指車輛荷載引起的離心力荷載)以及它們的組合影響。1均布荷載的均布梁體的容重25kN/m3,橋面鋪裝和護(hù)墻以均布荷載計(jì)。彎梁橋在恒載下,發(fā)生的橫橋向平面位移是由梁體的扭轉(zhuǎn)引起的,其值很小,支座的平面徑向支反力也很小,如表1所示。2彎梁橋變形工況分析溫度影響主要包括季節(jié)溫差(體系溫差)和日照溫差(溫度梯度),這兩種溫度形式對(duì)彎梁橋的影響不同,如日照溫差主要使得彎梁橋產(chǎn)生豎向撓曲和扭轉(zhuǎn)變形,而季節(jié)溫差則使得彎梁橋發(fā)生平面變形。此處考慮的主要是季節(jié)溫差(結(jié)合淮安市當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶞夭詈蛷澚汉淆垥r(shí)的預(yù)計(jì)氣溫,計(jì)算時(shí)選取橋跨體系整體升降溫30℃)。表2和圖5給出了橋跨在季節(jié)溫差下的各支座平面徑向支反力和橋軸線橫橋向位移曲線。從表2和圖5可以看出:支座徑向支反力和徑向位移曲線不對(duì)稱,這是因?yàn)橄虏拷Y(jié)構(gòu)橋墩(臺(tái))的高度不同,導(dǎo)致橫橋向抗推剛度不同所致。方案Ⅰ的梁端徑向位移明顯較方案Ⅱ減小,盡管方案Ⅰ中縫墩(臺(tái))的內(nèi)側(cè)支座需要承受一些水平力,但對(duì)于該大小的力,單向活動(dòng)支座及墩(臺(tái))身都能夠承受。3車輛荷載的作用結(jié)果分析本橋設(shè)計(jì)荷載:汽車-20;掛-100;匝道設(shè)計(jì)車速:40km/h。車輛行駛在彎梁橋上,車輛荷載對(duì)梁體有豎向力、切向力(制動(dòng)力)和徑向力(離心力)。由于同一輛車產(chǎn)生的制動(dòng)力和離心力是不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)的,經(jīng)計(jì)算多種情況,本橋引起彎梁橋側(cè)向位移的車輛荷載影響力主要是離心力荷載,故文中僅示出一列車隊(duì)的豎向力和離心力的作用結(jié)果。對(duì)于車隊(duì)的布置,分別針對(duì)了8#墩和12#臺(tái),按照車輛行駛的方向進(jìn)行布載計(jì)算,結(jié)果列于表3和圖6。本橋跨的曲率半徑較小,車輛離心力的影響比較大。如方案Ⅱ,分別針對(duì)于8#墩和12#臺(tái)布載計(jì)算后,離心力產(chǎn)生的橋兩端橫橋向位移分別達(dá)到8.6mm、13mm。支座需承受的最大推力為170kN(針對(duì)8#墩布載時(shí)9#墩支座的徑向反力)。采用方案Ⅰ后,端部的橫橋向位移都在2mm以下,且相鄰聯(lián)橋跨的端部沒有橫橋向相對(duì)位移;支座的最大水平推力119kN也是可以接受的。4側(cè)向限位方案比選表4和圖7分別給出了2種方案,在恒載、季節(jié)溫差、車輛荷載的不利組合下各支座徑向反力和梁體軸線處橫橋向位移曲線。荷載組合后,方案Ⅱ中的梁端最大徑向位移分別是12mm、17mm,方案Ⅰ的梁端最大位移分別為2.8mm和1mm。從荷載組合后的支座反力計(jì)算結(jié)果可以看出,單向活動(dòng)支座需要承受一定的水平推力,方案Ⅰ中,縫墩(臺(tái))內(nèi)側(cè)支座承受的水平推力要大于方案Ⅱ中的推力。通過兩種方案的比較,最終選擇方案Ⅰ作為本聯(lián)橋跨的側(cè)向限位方案。鑒于橋跨構(gòu)造的類似性,其余各聯(lián)連續(xù)彎梁均采用同樣的側(cè)向限位方案。對(duì)于橋臺(tái)還可采用如圖8的限位措施,即梁體側(cè)面和防震擋塊之間豎向放置橡膠支座,以代替梁端的單向支座。4彎梁橋平面位移和合成支反力的限位設(shè)計(jì)的基本結(jié)論彎梁橋由于曲率的存在,梁體會(huì)產(chǎn)生橫橋向的位移。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行彎梁橋設(shè)計(jì)時(shí),需要充分考慮橫橋向的位移和由此帶來的一些問題。本文介紹了江蘇省淮安市淮河入海水道淮揚(yáng)公路南立交匝道橋彎梁的側(cè)向限位設(shè)計(jì)及其計(jì)算,側(cè)重于分析彎梁橋的平面變形和支座平面支反力,得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:1)引起彎梁橫橋向位移的外界因素主要是季節(jié)溫差、車輛離心力和車輛制動(dòng)力。對(duì)幾何尺寸較小的彎梁橋,車輛荷載的平面影響力影響較大,特別是