離石高架橋主橋結(jié)構(gòu)分析
2010-05-31 

1 工程概況

    離石高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)龍鳳大街規(guī)劃寬度為80m,設(shè)計(jì)路線(xiàn)與其呈30°交角??紤]道路兩側(cè)城市管網(wǎng)布設(shè),橋梁凈跨需在120m以上,經(jīng)多方案比較,最終采用85m+135m +85m三跨雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋,結(jié)構(gòu)形式為塔梁固結(jié)、墩梁分離,梁底設(shè)支座。下部采用鋼筋混凝土板式墩,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。施工方法為主梁懸臂澆注。總體布置見(jiàn)圖1所示。
 


2 離石高架橋主橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

    (1) 公路等級(jí):高速公路;

    (2) 橋面寬度:2×凈-11m+2×015m防撞護(hù)欄+3m中央分隔帶;

    (3) 設(shè)計(jì)荷載:汽車(chē)- 超20級(jí),掛車(chē)-120;

    (4) 地震基本烈度:6度。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

    離石高架橋單索面布置在高速公路中央隔離帶上,造型美觀且造價(jià)較低。結(jié)構(gòu)形式由于采用塔梁固結(jié),墩梁分離,梁底設(shè)支座,使部分斜拉橋的受力更加接近梁式體系,受力明確,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而且這種結(jié)構(gòu)形式延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的基本自振周期,減小了地震作用,有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震和整體穩(wěn)定性。支座采用盆式橡膠支座。橋墩采用鋼筋混凝土板式墩,以適應(yīng)溫度、混凝土收縮與徐變等荷載的變化。

3.2 主梁設(shè)計(jì)
    主梁采用單箱三室大懸臂斷面,外腹板斜置,箱梁頂板寬度為26m,腹板斜率不變,箱梁底板寬度由15.6m 漸變到16.864m。主墩墩頂根部梁高4.2m,x中、邊跨方向45m 范圍內(nèi)梁高變化采用二次拋物線(xiàn),其余為等高梁段,梁高為2.4m。箱梁合攏段底板厚度為25cm ,0號(hào)塊端部底板厚46.2cm,在梁高變化段內(nèi),底板厚度變化采用二次拋物線(xiàn)。頂板厚度不變,邊室28cm ,中室45cm。邊腹板厚度為50cm ,中腹板厚度為35cm。斜拉索錨固區(qū)均設(shè)橫隔板,邊室橫隔板厚度為30cm,中室橫隔板厚度為40cm。箱梁橫斷面如圖2所示。
 



    主梁采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),縱向采用鋼絞線(xiàn)和高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋,橫向采用鋼絞線(xiàn),豎向采用高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋。

    主梁按掛籃懸臂澆注法施工,0號(hào)塊節(jié)段長(zhǎng)10m,1號(hào)、2號(hào)梁段長(zhǎng)3m,3號(hào)梁段長(zhǎng)3.5m,合攏段長(zhǎng)2m,其余梁段長(zhǎng)均為4m。最大懸臂澆注重量為223.5t。

3.3 主塔設(shè)計(jì)

    主塔計(jì)算塔高為18m,采用實(shí)心矩形截面。主塔布置在中央分隔帶上,塔身上設(shè)鞍座,以便拉索通過(guò)。斜拉索橫橋向呈2排布置,鞍座亦設(shè)2排。

    鞍座采用分絲管形式,每根分絲管穿1根鋼絞線(xiàn),以方便將來(lái)單根換索。在兩側(cè)斜拉索出口處設(shè)抗滑錨板,以防止鋼絞線(xiàn)滑動(dòng)。

    斜拉索為單索面,考慮到張拉設(shè)備、施工能力以及施工方便,單索面在橫橋向呈2排布置,每根拉索由31根環(huán)氧噴涂鋼絞線(xiàn)組成。鞍座亦設(shè)2排,采用分絲管形式。在兩側(cè)斜拉索出口處設(shè)抗滑錨板,以防鋼絞線(xiàn)滑動(dòng)。拉索采用多重防腐措施,單根鋼絞線(xiàn)為環(huán)氧噴涂,外包單層PE,鋼絞線(xiàn)索外包HDPE套管。

3.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    根據(jù)鉆孔揭示,橋址地層由Q4沖積物和二疊系砂巖互層構(gòu)成。Q4沖積物厚度為7.8~8.8m,二疊系砂巖由全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化砂巖互層構(gòu)成。地下水位約在2.3~3.7m?;A(chǔ)采用鉆孔灌注樁,按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

4 主橋結(jié)構(gòu)靜力分析

    橋墩、主梁和主塔都采用三維有限元梁?jiǎn)卧?,斜拉索采用只受拉的索單元,根?jù)施工階段梁段的劃分和預(yù)應(yīng)力鋼束的布置,將主梁劃分為92個(gè)單元,變截面范圍內(nèi)處理為變截面單元;主塔為矩形截面,每個(gè)主塔劃分為12個(gè)單元;每個(gè)橋墩劃分為5個(gè)單元;全橋44 根斜拉索劃分為44個(gè)索單元,全橋共計(jì)170個(gè)單元。

    根據(jù)施工組織設(shè)計(jì),在施工階段,假定在左右墩頂處固結(jié);在成橋運(yùn)營(yíng)階段,左墩為固定支座,右墩和主梁兩端設(shè)置為沿橋梁方向的滾動(dòng)支座,計(jì)算圖式如圖3所示。
 


    全橋采用以下荷載組合:

    (1) 恒載+ 預(yù)加力+ 混凝土收縮、徐變+ 汽車(chē)-超20級(jí);

    (2) 恒載+ 預(yù)加力+ 混凝土收縮、徐變+ 掛車(chē)-120;

    (3) 恒載+ 預(yù)加力+ 混凝土收縮、徐變+ 汽車(chē)-超20級(jí)+ 支座下沉1cm + 橋面板升溫10℃;

    (4) 恒載+ 預(yù)加力+ 混凝土收縮、徐變+ 汽車(chē)-超20級(jí)+ 支座下沉1cm + 橋面板降溫10℃;

    (5) 恒載+ 預(yù)加力+ 混凝土收縮、徐變+ 汽車(chē)-超20級(jí)+ 支座下沉1cm + 整體升溫20℃;

    (6) 恒載+ 預(yù)加力+ 混凝土收縮、徐變+ 汽車(chē)-超20級(jí)+ 支座下沉1cm + 整體降溫20℃。

    計(jì)算結(jié)果表明,在使用階段主梁處于全截面受壓狀態(tài),最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在塔根部,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)局部應(yīng)力分析結(jié)果,預(yù)應(yīng)力鋼束錨固端和支座連結(jié)處應(yīng)力分布復(fù)雜,應(yīng)加強(qiáng)局部配筋。

5 主橋結(jié)構(gòu)自振特性分析

    按照上述計(jì)算模型,筆者計(jì)算了結(jié)構(gòu)的自振特性。根據(jù)抗震分析的需要,計(jì)算了結(jié)構(gòu)的前100 階振型,結(jié)構(gòu)振型示意見(jiàn)圖4~圖7,表1 列出了結(jié)構(gòu)前15 階的自振特性情況。
 

 

   
表1    結(jié)構(gòu)的前15階自振特性

 

 


    研究表明:計(jì)算前20 階振型,其縱向、橫向及豎向累計(jì)振型貢獻(xiàn)率均非常接近100% ,超過(guò)美國(guó)UBC規(guī)范要求的90%。我國(guó)與橋梁抗震有關(guān)的規(guī)范對(duì)此沒(méi)有規(guī)定,說(shuō)明前20 階振型已涵蓋結(jié)構(gòu)的主要?jiǎng)恿μ匦裕粡恼裥蛨D上看,前三階為以豎向?yàn)橹鞯恼裥停谒碾A出現(xiàn)橫向振型,說(shuō)明結(jié)構(gòu)具備較好的橫向剛度;取用三維實(shí)體單元反映的振型全面,能夠很好地把握結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,可以為成橋動(dòng)測(cè)提供可靠的理論分析。

6 結(jié)論與建議

    通過(guò)離石高架橋的設(shè)計(jì)實(shí)踐,為我國(guó)成功應(yīng)用部分預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋又提供了一份寶貴的經(jīng)驗(yàn)。采用雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋,受力明確,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造型美觀且造價(jià)較低。部分斜拉橋可根據(jù)實(shí)際情況,合理選擇各部尺寸,使設(shè)計(jì)自由度更大。通過(guò)結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算和動(dòng)力特性分析,表明該類(lèi)型橋梁完全能滿(mǎn)足使用功能的要求,施工難度較小,工期較短,為今后橋梁建設(shè)提供了更廣闊的空間。

參考文獻(xiàn):

[1 ] 陳亨錦,王凱,李承根. 淺談部分斜拉橋[J]. 橋梁建設(shè),2002, (1).

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[3 ] 胡人禮. 橋梁抗震設(shè)計(jì)[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社,1984.

 


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