一種新型無梁板橋的設計

任 亮,方 志,上官興

(1.華東交通大學土木建筑學院,南昌 330013;2.湖南大學土木工程學院,長沙 410082)

1 概述

隨著我國交通運輸事業的迅速發展以及城市化進程的加快,公路、鐵路網縱橫交錯,為有效解決沿線交叉導致的凈空問題,無梁板橋值得推薦。它沿用了建筑上的無梁板結構,即用幾排樁柱式下部構造直接支承連續板式的上部構造,樁排頂上沒有蓋梁,因而稱為無梁板橋,又稱菌形板橋[1]。

與其他橋梁相比,無梁板橋有自己獨特的優點：首先無梁板橋由于沒有橫梁而爭取了最小的建筑高度,增大了橋下凈空,降低了引線高度,減短了引橋長度,節省了投資；其次無梁板橋采用現場澆筑,可以制作成任何復雜的形狀,特別適用于彎、坡、斜橋；另外無梁板外形輕盈,在城市立交橋中有較好的美觀效果。

由于其良好的技術、經濟等優越性,無梁板橋在東北地區城市互通式立交、公路立交、高速鐵路以及普通鐵路線得到了應用[2～4],但在全國范圍內推廣不多。本文針對傳統無梁板橋存在的問題進行分析,通過韶關百旺大橋支橋的設計,介紹一種新型無梁板橋的設計,為加快推廣,編制了20～40 m新型無梁板橋設計圖。

2 傳統無梁板橋存在的問題

傳統無梁板橋20世紀80年代在我國城市互通式立交中開始運用,但目前在全國范圍推廣不多,主要存在以下原因。

(1)跨徑小。由于無梁板橋梁板矮,使得結構面積和抗彎截面系數均很小,當跨度一定時,為滿足受力要求,必須加大軸向預壓力,而現在使用的都是φ5 mm預應力筋,張拉噸位受到限制,因此無梁板橋單孔跨徑至今尚未突破25 m。另外,傳統無梁板橋墩柱與板固結,雖然具有縱橫向剛度好,可以分擔板身在恒載、活載作用下的彎矩等優點[5～10],但用于多跨連續板時,由于分擔的彎矩以及溫度應力的影響,將使墩身發生較大位移,這樣造成最多做到3跨一聯,不能在長橋中使用。

(2)成本高。無梁板橋在預應力根數一定的情況下,由于梁板矮,提供的抵抗彎矩小,為滿足結構受力需要,必須增加預應力鋼筋數量,結構成本高。另外,無梁板橋一般采用滿堂支架施工,施工中板的重力全部由支架承擔,需要對地基進行處理,施工成本高,尤其在軟弱地基情況下,支架沉降量大,處理地基費用更高。

(3)無標準圖。傳統無梁板橋由于以上缺點,一直無標準圖可套用,在實際工程中常因設計周期不夠而不得不放棄。

3 韶關百旺大橋支橋的設計

3.1 設計概況

廣東韶關百旺大橋是一座跨越北江干流的大型城市公路橋梁,全長805 m,橋寬28 m。在東西兩個水道中有一江心島,按開發區整體規劃,在橋梁中部里程K0+471.5(9號臺),K0+705.8(23號臺)兩處各布置一條支橋通往中心島,以促進該島的經濟開發。經多方案的反復比較,遵循“造型美觀,結構合理,施工方便,造價經濟”的原則,確定支橋為“無梁板連續彎橋”(圖1),平面圓曲線半徑R=45.25 m,超高橫向坡2%,縱坡4%,橋寬9 m,彎橋跨徑組合為16+16+2×19.7+18.4+16.2+16.6=123.6 m。

圖1 彎橋平面(單位：m)

3.2 下部結構設計

由于中心島覆蓋層為吹填砂,松軟不宜做鉆孔樁,而在高程45.0 m處為緊密砂礫石,強度大,沉降量小,可做承重層,因此選擇了沉井空心樁方案。沉井外徑φ4 m,壁厚0.5 m,井內吹砂下沉到砂礫層面,清洗整平雙腳底后澆水下混凝土到刃腳頂部形成空心樁(φ3 m),基底面積大,因此沉降量小。

為增大橋墩的抗彎能力,橋墩采用雙柱式,截面尺寸為20 cm×100 cm,坐落在沉井兩邊壁上。針對墩柱與板固結存在的問題,本橋在上柱頂部設置厚0.1 m的橡膠板式支座,使剛度很大的板梁與橋墩脫開,用橡膠板的剪切變形來適應無梁板的位移,在溫度及水平力作用下不造成橋墩開裂,從而適用連續多跨的情況,加大了跨徑。

3.3 板的設計

為保證跨中下緣預應力作用線在支座截面中性軸以上,從而解決跨中預應力張拉的困難,本橋在板的設計中采用變截面形式,如圖2所示。其中跨中板高僅0.7 m,在支座處板高增大0.5 m,為1.2 m,板的截面采用流線型設計,如圖3所示,其具有外形輕盈美觀,混凝土量較省等優點。

圖2 板立面布置(單位：cm)

圖3 板橫截面(單位：cm)

3.4 板的分段澆筑

傳統無梁板橋采用滿堂支架逐孔澆筑,施工成本高,本設計考慮到連續結構自重彎矩圖中具有兩個反彎點,分別位于支座兩側各0.2L左右,現將反彎點之間呈負彎矩狀態稱A塊(一般取0.4L),呈正彎矩狀態稱B塊(一般取0.6L),施工中每跨分兩次澆筑,即先澆A段,再澆B段,如圖4所示。其中A塊澆完后張拉對應的上緣預應力筋效應大小需抵消A塊的自重彎矩,即預應力與A塊的自重相平衡,從而使A塊自動脫離支架,這樣大大減輕了支架負擔。此外,將A、B塊分別施工還能保證A塊縱向預應力的張拉，避免了縱向彎曲,這對有平面彎曲的連續彎橋而言,能大大簡化施工,從而降低造價。

圖4 板的分段澆筑

3.5 預應力布置

傳統無梁板橋采用直徑φ5 mm鋼絞線,所需預應力鋼筋多,成本高,在截面一定的情況下,張拉噸位也受到限制,考慮降低造價,本設計采用大直徑φ7 mm平行鋼絲群錨體系[11],截面布置如圖5所示。其中預應力布置為適應施工中的分段澆筑分3種類型,即上緣通索、上緣短索和下緣通索。上緣通索用聯結器接長,在跨中接縫處張拉,其作用是確保分段澆筑的連續梁整體性；上緣短索用以抵消恒載懸臂施工所產生的自重彎矩,在分段的端面上張拉,另一端預埋在混凝土板中；下緣通索在跨中接縫處張拉,通過支座時,由于變截面的構造,使它相當于在中性軸位置通過,只增大支座截面的軸向力,而不產生反向負彎矩。

圖5 跨中和支座預應力布置

根據受力的不同,設計選用1、3、6、12束等4種形式。較小拉力的1束和3束(張拉力分別300 kN和900 kN)用于上緣通索,較大拉力索6束和12束(張拉力分別為1 800 kN和3 600 kN)用于支座上緣和跨中下緣。HM21錨頭采用夾片錨(HVM)、鐓頭錨(HDM)相結合的形式,鐓頭和夾片錨間用鋼管套連接器相連,可以十分方便解決分段逐孔中預應力索的接長問題。

4 20～40 m新型無梁板橋設計圖

在韶關百旺支橋設計的基礎上,編制了20、30、40 m 3種跨徑設計圖,具體參數見表1。其中橋面按雙向4車道設計,單箱寬12 m,中設1.5 m分隔帶,橋墩為V形,施工可利用φ3 m鋼護筒做橫向支承,支座選用鋼球形支座,板梁底寬4 m,頂寬7 m,兩邊懸臂2.5 m,如圖6所示。

表1 20～40 m標準圖設計參數

注：1.HM21-X中HM21表示7φ7 mm平行鋼絲,X表示一孔根數。

圖6 板橫剖面(單位：cm)

為減少地基處理費用,除20 m跨徑外,30 m和40 m均以橋墩為中心每側分A、B、C 3段,接縫在跨中,寬1 m,此種方法與大跨徑連續梁雙懸臂施工相同,其特點是支架僅承擔一段板重,混凝土硬化后進行預應力張拉,解除了對支架壓力,即對支架要求較低,減小施工中支架受力。

由于板梁高度矮,抗彎剛度不足,故必須通過大噸位預應力產生的巨大軸向力來補償。從表1中可以看出,在40 m設計圖中,上緣預應力HM21-19張拉力可達6 000 kN。可以說,采用φ7 mm大直徑預應力體系是新型無梁板橋跨徑得以增大的關鍵所在。

5 結論

本文在韶關百旺大橋支橋設計中改變無梁板橋墩柱與板連接方式，采用分段澆筑和引入大噸位預應力,介紹了一種新型無梁板橋的設計。該設計保留了無梁板橋的優點,針對其不足進行了修正,并將無梁板橋跨徑增大到40 m，在此基礎上編制了20、30、40 m設計圖,可供對復雜形狀的“彎、坡、斜”立交橋設計參考。

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