多跨高墩连续刚构的设计与探讨

第36卷,第2期2011年4月

公路工程HighwayEngineering

Vo.l36,No.2Apr.,2011

多跨高墩连续刚构的设计与探讨

赵金和,李 瑜,张立华

1

1

2

(1.湖南省交通规划勘察设计院,湖南长沙 410008; 2.湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)[摘 要]以汝城至郴州高速公路文明特大桥(主桥为66+6@120+66=852m的连续刚构)为例,探讨了多跨高墩连续刚构在结构方案比选、合拢工艺和下部结构优化等方面的问题。

[关键词]多跨高墩连续刚构;设计;探讨

[中图分类号]U442.5+4 [文献标识码]B [文章编号]1674)0610(2011)02)0101)06

TheDesignandStudyofSevera-lSpans-and-High-Piers

ContinuousRigidFrameBridge

ZHAOJinhe1,LIYu1,ZHANGLihua2

(1.HunanProvincialHighwayPlanningSurveyandDesignInstitute,Changsha,Hunan410008,China; 2.HunanCommunicationsResearchInstitute,Changsha,Hunan410015,China)

[Keywords]Severa-lSpans-and-High-PiersContinuousRigidFrameBridge;Design;Study

1 前言

在较大跨径桥型方案比选中,连续刚构相比连续梁桥往往更具有竞争力,特别是对于特高墩梁桥,无论从受力角度分析,还是从经济美观性考虑,连续刚构都更合理。

但连续刚构的通病是都只能局限于较小的联长。对于桥墩较矮的刚构,为了取得更大联长,一般采用刚构-连续组合体系。而对于多跨高墩刚构如何解决联长和墩高带来的技术难题,将是本文研究的重点。本文将从汝郴高速公路文明特大桥的设计实例出发,探讨多跨高墩刚构的设计与优化。

和转角位移,边墩和边主跨弯矩将迅速增大,导致墩身承载和抗裂能力无法满足要求。因此对于多跨高墩刚构其成立必须考虑以下几个特点:

1主墩特别是边主墩抗推刚度应足够小,以最大限度释放温度和收缩徐变产生的附加弯矩。

o由于墩高,由主墩竖向荷载引起的P-$效应产生的墩身附加弯矩不可忽视。

?由于主墩弯矩峰值遵循由中间主墩向两边主墩不断增大的规则,应考虑采取措施尽量减小两边主墩弯矩峰值。

?为了降低边主墩弯矩,需要降低主墩刚度,但主墩刚度降低又导致截面抗力降低,这就需要对主墩形式进行优化,保证较小刚度的主墩仍满足设计要求。

?由于合拢顺序对成桥内力影响很大,应优化合拢工艺,降低边跨及边主墩的成桥弯矩峰值。

2 多跨高墩连续刚构的设计要点

众所周知,墩身内力与其顺桥向抗推刚度和距主梁水平纵向位移零点的距离密切相关。对于典型的三孔(一个主孔加两个边孔)高墩刚构,只要能保证主墩刚度满足较小的位移要求,则上部构造可基本延续连续梁桥的受力特征。由于三孔高墩刚构高墩本身刚度不大,所以对桥墩结构形式的要求也不高。但随着联长的加大,墩身距主梁水平纵向位移零点的距离亦将加大,在温度、混凝土收缩徐变等荷载作用下,墩顶随主梁一起产生更大的顺桥向水平

[收稿日期]2011)01)06

3 文明大桥主桥设计

3.1 文明大桥概况

文明大桥是厦门至成都高速公路汝城至郴州段k67+184处的一座特大型桥梁。主桥因跨越一开阔平坦区域而采用中等跨径的多跨高墩连续刚构结构形式。主桥跨径布置为(66+6@120+66)m连

[作者简介]赵金和(1977)),男,湖南湘阴人,工程师,主要从事桥梁设计工作。 102

续刚构,主桥联长852m。桥型布置见图1。

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图1 文明大桥主桥桥型布置(单位:cm)

3.2 上部结构设计

1主梁构造。

主梁采用单箱单室箱形截面。箱梁梁高、底板厚度均按2次抛物线变化。箱梁T构根部梁高(箱梁中心线处)为700cm,跨中梁高(箱梁中心线处)为310cm。箱梁顶板全宽为1200cm,板厚28cm。底板宽度为650cm,厚度由根部至跨中变化为70~28cm。腹板厚度由根部至跨中依次取为70cm、55cm、40cm。箱梁在主墩墩顶处设四个横隔板,板厚120cm;在中跨跨中处设一横隔板,板厚40cm。

箱梁梁端(边墩支座处)设端横隔板,板厚120cm。

箱梁全长852m,顶板横坡为双向2%。

箱梁单个T构共分18段浇筑,0号梁段长1300cm,其余1~17号梁段分段为3@250cm+8@300cm+6@350cm;边跨现浇段长500cm;边跨和中跨合拢段长均为200cm。主桥按22~28号主墩共7个T构对称悬臂现浇施工,除0号梁段采用搭设托架浇筑完成外,1~17号梁段均采用挂篮悬浇,悬浇最重梁段为1082kN。两边跨500cm现浇段采用搭设吊架浇筑。主梁构造见图2。

图2 主梁一般构造图(单位:cm)

o预应力体系。

变截面悬浇连续刚构箱梁采用三向(纵向、横向、竖向)预应力,纵向预应力束根据张拉的时间与

束型不同可分为前期顶板束、前期下弯束和后期顶、底板束。前期顶板束与前期下弯束在浇筑T构时进行张拉,后期顶、底板束在T构浇注完毕以及前期顶板束和前期下弯束张拉完成后,主桥合拢时或成桥后进行张拉。文明大桥由于边T构受力较大,其前期顶板束要多于中间T构。

前期顶板束采用16

所用纵向预应力均采用两端张拉,张拉控制应力为0.75fpk。3.3 主墩结构设计

22~28号桥墩为悬浇连续刚构主墩,设计为双肢变截面空心墩。空心墩两肢间中心距700cm;空心墩壁厚60cm,且壁厚沿墩高保持不变;单肢空心墩顶部纵横尺寸为350@700cm,中部纵横尺寸为300@700cm,底部尺寸由中部尺寸按坡率50B1向s

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赵金和,等:多跨高墩连续刚构的设计与探讨

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墩底逐渐放大直达承台顶确定。承台为分离式,纵横尺寸为1520@1160cm,高450cm。承台下设12根D200cm钻孔灌注桩。主墩构造见图3。

3.4 结构计算

120m连续刚构箱梁纵向计算采用5桥梁博士6(3.03版)完成。

1主梁计算结果。

主梁按承载能力极限状态计算,均满足强度要求。在短期效应组合下,正截面计算结果表明主梁均不出现拉应力,最小压应力为0.4MPa;斜截面计算结果表明混凝土主梁最大主拉应力均不超过019MPa,计算结果满足5设计规范6

o主墩计算结果。

全桥主墩最大墩高为110.3m,纵向计算控制荷载为纵向风荷载和汽车荷载的组合,全桥纵向计算结果表明该桥纵向两边主墩受力最为不利,横向计算控制荷载为横向风荷载。按偏心受压构件,分施工阶段和使用阶段,对该桥纵、横向的承载能力及裂缝进行校核计算,结果表明极限承载力和最大裂缝均满足5设计规范6中相关条文要求。

[1]

[1]

的相关要求。

4 关键技术问题探讨

4.1 主桥结构形式比选

由于采用特大跨径梁式桥造价太高,为了节省投资,文明大桥采用多孔中等跨径梁式结构更为合理。主桥设计过程中考虑了3种结构形式:

方案一:一联刚构-连续组合结构。

按照一般设计思路:当联长较小时采用连续刚构,当联长较大时采用刚构-连续组合结构,依该原则,该桥理应采用刚构-连续组合结构,其跨径布置为(66+6@120+66)m,如图4所示。该方案可将24、25、26号主墩设为柔性墩梁固结,22、23、27、28号主墩设置为连续墩。这种结构形式由于靠两边的主墩释放了主梁纵向位移约束,因此温度与收缩徐变对主梁的作用相对较小,联长可以很长,因此主梁受力是合理可行的。但是靠两边的22、23、27、28号主墩,平均墩高在100m以上,作为连续墩,在保证

图3 主墩一般构造图(单位:cm)

其强度和稳定的同时,尺寸必须很大,其造价自然不

图4 一联刚构-连续组合体系方案

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菲。此外从美观上来说,中间刚构主墩瘦小,而两边连续主墩臃肿,显然很不协调。所以主桥采用刚构连续组合结构并不适宜。

方案二:两联连续刚构。

对于该桥,由于联长较大,墩高很高,当采用刚构-连续组合结构不适宜时,当然可以考虑两联刚构方案,跨径布置为(66+3@120+66)m+(66+3

)

@120+66)m,如图5所示。从受力角度考虑,对于两联刚构,无论是主梁还是主墩都是可行的。但该方案也有两个无法克服的缺点:1主梁需要增设一道伸缩缝,有悖/尽量少设伸缩缝,以利于行车和养护0的设计宗旨;o两联刚构中间需要增设一个较高的连接墩,既增加了下部构造工程造价,又与跨径布置和主墩形式不协调,美观性欠缺。

图5 两联连续刚构方案

方案三:一联连续刚构。

在综合考虑方案一、二的优缺点后,设计中经反复比较和计算,最终采用一联刚构方案,其跨径布置如图1所示。该方案有如下优点:1少设一道伸缩缝,整体刚度更大,更有利于行车与养护;o全联跨径布置合理,主墩立面高挑一致,整体美观和谐。?联中不设连接墩,主墩尺寸轻巧、形式统一,可节省下部构造造价,也便于施工。

一联刚构的主要缺点是由于跨数太多导致边跨和边主墩弯矩峰值的迅速增大。如果采用该方案,技术上应当考虑尽量削减边跨和边主墩的弯矩峰值至可以接受的范围。

一联刚构方案如果技术上可行,显然相比刚构-连续组合结构和两联刚构方案更为可取。4.2 主墩优化4.2.1 边主墩结构形式的初步考虑

国内常见的连续刚构柔性墩形式主要有以下几种(经计算单肢刚构墩不适应本桥,故本文不讨论单肢墩):

1实心薄壁墩。一般适用于墩高50m以内的连续刚构,由于墩高较矮,为减小墩身刚度,一般都不设横撑。

o空心薄壁墩。一般适用于墩高50m以上的连续刚构,常见有等截面空心墩,和锥形空心墩,由于墩高较高,在允许的联长范围内,为增加墩身刚度,一般都设置一道或多道横撑。

国内已建桥梁常见双肢薄壁墩结构形式见图6。图6 常见双肢刚构主墩结构形式

由于刚构墩身内力与桥墩抗推刚度密切相关,

抗推刚度小的薄壁式墩身能有效地降低墩身内力,这也是连续刚构一般均采用柔性墩的根本原因。但随着联长的加大,墩身距主梁顺桥向水平位移变形零点的距离亦将加大,在温度、混凝土收缩徐变等荷载的作用下,墩顶与主梁一道产生很大的顺桥向水平和转角位移,墩身剪力和弯矩将迅速增大,同时产生不可忽视的附加弯矩。当墩高较矮时,由于其刚度很难降低,此时长联刚构方案往往不能成立。但本桥由于墩高很高,因此可以考虑采用更多跨数和更大联长,而设计计算也证明优化主墩特别是边主墩形式,刚构方案仍是可行的。4.2.2 合理的主墩结构形式

从纵向受力的角度考虑,连续刚构主墩的抗推刚度与截面尺寸的协调最为关键。设计时为了降低第2期

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抗推刚度,优化截面内力,将尽可能的减少截面尺寸,但随着截面尺寸的减小,截面承载力也迅速下降。

由于连续刚构联长对桥墩内力影响巨大,联长越长,由温度变化和收缩徐变引起的桥墩位移越大,特别是边墩,联长对其特别敏感。本桥采用如图7所示3种主墩结构形式,对全桥进行了分析计算,最终确定哑铃型主墩为最优结构形式,其理由如下:

1若采用等截面,虽然主墩高很高,但主桥联长很长,纵向抗推刚度仍然较大,其墩顶、墩底弯矩峰值都无法满足设计要求。

o若采用锥形墩,虽然墩底截面抗力有所增加,但由于刚度更大,墩身内力太大,墩顶截面更难满足设计要求。此外,锥形墩还存在尺寸偏大不经济的缺点。

?根据桥墩弯矩图,理想的桥墩形式应为哑铃型。哑铃型主墩截面尺寸既适用弯矩变化,又能取到最小抗推刚度,因此在保证墩顶、墩底截面抗力不降低的情况下,取得截面最小弯矩峰值。

经计算,哑铃型主墩能大大降低主梁和主墩弯矩峰值,但哑铃型主墩的缺点是,由于墩身中部采用较小纵向尺寸,高墩大位移的P-$效应更为明显,但总的来说由于内力的大幅减小,利远远大于弊。

这也说明对于联长和整体刚度不大的高墩刚构体系,加设横撑对结构是有利的;而对于多跨长联刚构,由于稳定性并不存在问题,因此加设横撑对结构不一定有利,具体情况应根据计算最终确定。为了尽量减小刚度,降低边跨和边主墩弯矩,本桥不设横撑更适宜。

经过分析计算,本桥主墩最终采用不加设横梁的哑铃型双肢薄壁空心墩。4.3 优化合拢工艺4.3.1 合拢顺序的初步考虑

梁式桥常见的合拢顺序有2种:

方法一:由中间向两边逐步合拢中跨,最后合拢边跨;它只适用于跨数较少、联长较短的梁桥,这是由于这种结构纵向受力受温度和收缩徐变影响不大,所以设计中应首先排除方法一。

方法二:先合拢边跨,再由两边向中间逐步合拢中跨。它是多跨梁式桥最为普遍采用的合拢顺序,本桥设计过程中也按方法二的合拢方式进行了详细计算,其主梁、主墩关键截面的基本组合弯矩计算峰值,见表1。

表1 不同合拢工艺的关键截面弯矩峰值

控制

截面弯矩

墩位2223

主梁根部弯矩^

242526272822

主墩墩顶弯矩

23242526272822

主墩墩底弯矩

232425262728

先边跨后中跨/(kN#m)-724891-653719-648383-632924-646210-653902-722504-105928-81269-70582-492526588779284100885121782856374447823203-30229-54559-73799

本桥合拢顺序不预加顶推力/

(kN#m)-724119-649037-647558-634778-645373-649853-722469-105664-81153-71764-492046710779172100634121427854064501423181-30838-54311-73453

本桥合拢顺序+顶推力/(kN#m)-714806-634513-644627-636987-642484-634690-713056-88074-66320-71276-4928066582-645998305598430642354484623230-306106635367750

图7 主墩结构形式比选

4.2.3 主墩不设横撑的原因

为了增加高墩稳定性,高墩加设永久横撑在桥梁设计中是很常见的。加设横撑主要有2个作用:1加强结构稳定性,增加主墩刚度;o减小高墩计算长度,降低长杆压弯效应。

本桥设计中对多种加设横撑的主墩形式进行计算都表明边跨和边主墩弯矩过大,无法满足要求。 设计中对方法二合拢顺序的计算结果进行分析后认为:

1弯矩峰值由中间主墩向两边主墩迅速增加,再加上P$效应引起的附加弯矩,导致两边主墩墩顶、墩底截面强度和抗裂无法满足要求。)

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o边主墩墩顶内侧弯矩远大于外侧,墩底反之。墩身弯矩包络图明显不对称,表明多跨高墩刚构边主墩内力对结构温度变化和收缩徐变非常敏感。墩身弯矩不对称对结构配筋显然不利,过大弯矩峰值甚至无法合理布置钢筋。

?有必要进一步优化合拢工艺,降低边主墩弯矩峰值。4.3.2 合拢工艺的优化(见图8)

本桥在采用方法二合拢顺序基础上,为了进一步降低边主墩(22、23、27、28号墩)弯矩峰值,使之尽量与中间主墩(24、25、26号墩)接近,考虑在第二、五主跨对边主墩预加水平顶推力。顶推力的大

小应加到使边主墩(22、23、27、28号墩)在运营阶段的最大弯矩峰值降低到抗力允许范围以内为宜。经计算预加顶推力值取1500kN时,22、23、27、28号边主墩弯矩包络图比较理想。

但是按方法二合拢时预加顶推力却存在以下问题:由于24、26号主墩在合拢前为独立的柔性双悬臂高墩结构,1500kN的预加顶推力可导致其弯矩峰值迅速增加到无法满足要求。为了控制24、26号主墩弯矩峰值在可接受的范围内,本桥拟定了以下合拢工艺:先合拢边跨,再合拢第一、三、四、六主跨,最后在第二、五主跨预加水平推力并合拢第二、五主跨。合拢顺序见图8。本桥对优化后的合拢工艺进

图8 主桥合拢顺序

行了分析计算,关键截面基本组合弯矩峰值可见表1。计算结果表明优化后的合拢工序存在以下优点:1先将结构分别合拢为三个独立的框架结构,

使之分别具有较大的整体刚度,也在整体合拢前完成部分收缩徐变。整体合拢时,由于是将三个独立的框架合拢,相对于方法二合拢,边主墩和边主跨主梁弯矩峰值都将有所削减。

o由于中间主墩(24、25、26号墩)在合拢前已形成两孔独立框架结构,具有较大的刚度,因此在第二、五主跨预加的顶推力既可以在水平方向相互抵消,又不会对中间主墩弯矩峰值产生较大不利影响。

?边主墩(22、23、27、28号墩)弯矩包络图得到了明显改善,墩顶弯矩峰值最大削减近20%,完全可以满足承载力和正常使用设计要求,弯矩包络图基本对称,满足对称配筋要求,能最大限度发挥材料潜能。

就合拢工艺来说,文明大桥主桥合拢方法新颖而复杂,对施工工艺要求较高。预加顶推力施工时,可采用千斤顶施加1500kN顶推力在两悬臂梁端,再固结合拢段刚性连接并合拢。由于千斤顶卸载后应保证顶推力永久预存在刚性连接内,所以刚性连接应牢靠,并有足够刚度。此外,合拢应严格按指定

温度条件进行,本桥设计合拢温度为15e。

5 结语

文明大桥主桥为6主孔刚构,联长852m,主墩平均墩高96m,主墩首次采用无横撑柔性哑铃型双肢薄壁空心墩,为典型的多跨高墩刚构。该桥型继承了一般连续刚构的优点,并取得更大的墩高和联长,进一步拓展了连续刚构的应用空间。由于国内外专门针对多跨高墩连续刚构的相关研究并不多见,本文对今后同类型桥梁的设计和施工具有较高的指导和参考作用。

[参考文献]

[1] JTGD62)2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝桥涵设计规范

[S].[2]

王文涛.刚构一连续组合梁桥[M].北京:人民交通出版社.1995.

[3] 陈建伟.薄壁高墩大跨连续刚构若干关键问题研究[D].杭

州:浙江大学,2006.

[4] 王吉英,张丙旭,要兴雷.关于高墩连续刚构桥温度效应的探

讨[J].辽宁省交通高等专科学校学报,2004.(3).

[5] 张修兵.高墩大跨径连续刚构桥桥墩结构型式研究[D].重

庆:重庆交通大学,2009.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gz03.html