國內(nèi)外橋梁設(shè)計理念差異性對比

■肖 偉 ■中鐵大橋局海外分公司，湖北 武漢 430050

隨著國家“走出去”及“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，越來越多的中國企業(yè)開始走出國門在境外承攬大型工程的勘察、設(shè)計及施工。面對完全陌生的環(huán)境，最初總會存在語言、設(shè)計理念、施工規(guī)范等方方面面的差異。本文通過對比坦桑尼亞基甘博尼斜拉橋在設(shè)計理念上與國內(nèi)常規(guī)橋梁之間的差異，試圖將國外部分橋梁設(shè)計思路進行介紹，一方面可用于國內(nèi)橋梁設(shè)計人員參考借鑒，其次可供國外橋梁項目施工人員加深對國外橋梁設(shè)計的理解，從而更好的促進現(xiàn)場施工。

1 項目簡介

坦桑尼亞基甘博尼斜拉橋位于首都達累斯薩拉姆市的Kurasini海灣。項目是完全采用國際招投標方式進行管理的海外項目。業(yè)主為坦桑尼亞社保基金及國家工程部，設(shè)計及咨詢方為埃及ACE公司，設(shè)計規(guī)范為美國AASHTO LRFD橋梁設(shè)計規(guī)范，該規(guī)范也是目前國外運用范圍最廣的橋梁設(shè)計規(guī)范。該項目設(shè)計僅為概念設(shè)計，具體細化設(shè)計及施工圖設(shè)計由承包商負責(zé)。

該橋主橋為五跨雙塔單索面鋼斜拉橋，主橋長400m，梁跨布置形式為(40+60+200+60+40)m;主梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土梁，梁面寬32m，塔梁固結(jié)、墩梁分離結(jié)構(gòu)，梁面以上主塔高55米。主橋的兩側(cè)分別采用4×40m及3×40m雙幅等高單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁連接，單幅梁頂面寬14．8m，兩幅凈距2．4m，橋梁全長680m。橋梁基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，全橋布置圖如圖1所示，

圖1 基甘博尼橋(40+60+200+60+40)m斜拉橋主橋立面布置圖

2 與國內(nèi)橋梁設(shè)計理念差異性對比

2．1 基于AASHTOLRFD橋梁設(shè)計規(guī)范的樁基承載力設(shè)計

樁基最終樁長確定之前，由承包商根據(jù)標準貫入法(SPT)完成地勘后，根據(jù)地勘資料進行樁長設(shè)計并報咨詢審批。樁基承載力按照AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS第10．8章(鉆孔樁)進行設(shè)計［1］。

(1)AASHTO LRFD橋梁設(shè)計規(guī)范對鉆孔灌注樁承載力計算方法如下:

RR=ψRn=ψqpRp+ψqsRs，其中 RP=qpAp，Rs=qsAs

Rp－－－樁端名義抗力(N);Rs－－－樁側(cè)名義抗力(N);ψqp－－－樁端抗力系數(shù);

ψqs－－－樁側(cè)抗力系數(shù);qp－－－樁端單位抗力(MPa);qs－－－樁側(cè)單位抗力(MPa);

Ap－－－樁端面積(mm2);As－－－樁側(cè)面積(mm2);

對于粘性土層:

樁側(cè)抗力:qs=αSu;

當(dāng) Su/pa≤1．5 時 α =0．55，當(dāng)1．5≤Su/pa≤2．5 時 α =0．55 －0．1(Su/pa－1．5)

Su－－－土的不排水抗剪強度(MPa);α－－－粘性系數(shù);pa－－－ 大氣壓(=0．101MPa)

樁端抗力:qp=NcSu≤4．0，其中 Nc=6［1+0．2(Z/D)］≤9

D—樁直徑(mm);Z—樁入土深度(mm);Su—土的不排水抗剪強度(MPa)

對于非粘性土層:

樁側(cè)抗力:qs=βσ＇v≤0．19 當(dāng)0．25≤β≤1．2 時;

其中當(dāng) N60≥15時，β =1．5－(7．7×10－3√z)，

當(dāng) N60＜15時，β=(N60/15)×(1．5－7．7×10－3√z)

σ＇v－－－土層豎向有效應(yīng)力(MPa);β－－－荷載傳遞系數(shù);z－－－入土深度(mm);N60－－－SPT平均錘擊數(shù)(僅進行錘擊效率修正)

樁端抗力:當(dāng) N60≤50 時，qp=1．2 ×0．057N60≤3．0MPa

式中qp的值應(yīng)不大于3．0MPa，除非有荷載試驗數(shù)據(jù)能夠驗證。

當(dāng) N60 ＞50 時，qp=0．59［N60(pa/σ＇v)］0．8 × σ＇v，式中 N60 最大值取100．

(2)中國規(guī)范JTG－D63－2007 5．3章中對鉆孔灌注樁承載力容許值計算如下［2］:

式中［Ra］—單樁軸向受壓力承載值(KN);u—樁身周長(m);Ap—樁端截面面積(m2);n—土的層數(shù);1i—承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度;qik—與1i對應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩擦力標準值(KPa);qr—樁端處土的承載力容許值(KPa);［fa0］—樁端處土的承載力基本容許值(KPa);h—樁端的埋置深度(m);k2—容許承載力隨深度的修正系數(shù);γ2—樁端以上各土層的加權(quán)平均重度(KN/m3);λ—修正系數(shù);m0—清底系數(shù);

兩種規(guī)范計算原理類似，但是通過兩種規(guī)范計算的對比，根據(jù)AASHTO規(guī)范計算出的樁底抗力顯著偏高。對于本項目樁徑1．5m、樁長45m、樁底位于細砂層的鉆孔樁，根據(jù)AASHTO規(guī)范計算出的樁底抗力達到了2997KN，達到了樁基總抗力的35%左右。

2．2 系梁式空心承臺的設(shè)計

主橋邊跨輔助墩承臺采用系梁式空心承臺設(shè)計，結(jié)構(gòu)較為新穎，相較于國內(nèi)常規(guī)設(shè)計的實體承臺，該空心承臺的設(shè)計較為輕巧，有效減少了漲落潮水對承臺的上浮力，同時大量節(jié)約了承臺混凝土用量從而減輕了結(jié)構(gòu)自重，值得國內(nèi)同類型橋梁設(shè)計借鑒。此類設(shè)計也見于國外其他橋梁設(shè)計如孟加拉卡納夫里三橋(3rd Karnaphu1i Bridge)主墩同樣采用空心式承臺。

圖2 基甘博尼斜拉橋空心承臺示意圖

圖3 國內(nèi)常規(guī)實心承臺示意圖

2．3 拉壓支座的處理方式

根據(jù)計算，主橋邊跨輔助墩在運營期會承受拉力，設(shè)計方通過在主梁下方設(shè)置倒掛梁于墩身內(nèi)，在倒掛梁上安裝板式抗壓支座反作用于墩頂。當(dāng)主梁有向上的位移時，倒掛梁隨之發(fā)生向上的位移并對布置在其上的支座產(chǎn)生壓力，支座將力傳遞至墩頂并最終由樁基承擔(dān)。

通過此設(shè)計，實現(xiàn)了由經(jīng)濟、小巧的板式抗壓支座巧妙解決了上拔力的問題，相比國內(nèi)通常采用大噸位拉壓支座，此設(shè)計減小了造價，但同時由于倒掛梁設(shè)于墩內(nèi)，給梁的施工帶來了較大的困難，且對支座的安裝以及支座后期的維護和更換帶來了不便。

圖4 過渡墩支座布置示意圖

2．4 寬幅薄壁箱梁內(nèi)加勁斜撐的設(shè)計

主梁采用掛藍分節(jié)段現(xiàn)澆施工，每隔一個節(jié)段布置一對斜拉索。在主梁有索區(qū)節(jié)段，由于斜拉索在箱梁中線上進行梁端錨固，為將斜拉索豎向分力有效傳遞至腹板上，箱梁內(nèi)部設(shè)計有預(yù)應(yīng)力混凝土加勁斜撐，同時對斜拉索錨固處的錨塊施加了預(yù)應(yīng)力［3］。該設(shè)計在有效減小箱梁結(jié)構(gòu)尺寸的同時，保證了箱梁的剛度及受力。類似設(shè)計同樣見于法國伯勞東納橋(Brotonne Bridge)、越南拜寨大橋(Bai Chay Bridge)、孟加拉卡納夫里三橋(3rd Karnaphu1i Bridge)。

圖5 箱梁內(nèi)加勁預(yù)應(yīng)力混凝土斜撐示意圖

2．5 主塔斜拉索錨固區(qū)環(huán)形預(yù)應(yīng)力的設(shè)計理念

主塔斜拉索為單索面鋼絞線斜拉索設(shè)計，每根斜拉索的鋼絞線數(shù)量從80－160根不等，為抵抗斜拉索傳來的巨大水平分力，改善主塔受力，在主塔斜拉索錨固區(qū)設(shè)置了環(huán)形的預(yù)應(yīng)力。與國內(nèi)常規(guī)采用井字形直線預(yù)應(yīng)力，主要靠錨頭擠壓構(gòu)件端部并由此向內(nèi)傳遞壓力不同，此預(yù)應(yīng)力布置方式簡潔明了，受力明確，通過預(yù)應(yīng)力束擠壓孔道壁，使管體混凝土截面內(nèi)形成預(yù)壓應(yīng)力，從而抵抗斜拉索的水平分力，但同時此布置方式也增大了預(yù)應(yīng)力的摩阻損失，降低了有效預(yù)應(yīng)力值。

圖6 主塔環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線示意圖

圖7 國內(nèi)主塔常規(guī)井字形預(yù)應(yīng)力示意圖

2．6 大噸位單索面斜拉索設(shè)計

基甘博尼斜拉橋為單索面斜拉橋，斜拉索采用符合歐標的φ15．7mm外套油脂及PE的鍍鋅鋼絞線，斜拉索內(nèi)鋼絞線數(shù)量最大達到160根，最大索力達到14466KN，單索索體巨大。主塔端設(shè)為固定端，主梁中心線上設(shè)置錨塊作為張拉端，索體集中錨固在錨塊上。對于類似大索體，國內(nèi)通常設(shè)計為雙索面將斜拉索錨固在箱梁兩側(cè)。相比國內(nèi)設(shè)計方法，此設(shè)計方法減少了錨塊的數(shù)量，簡便了現(xiàn)場施工，但同時由于單個錨塊受力較大，導(dǎo)致錨塊結(jié)構(gòu)尺寸較大，同時鋼筋及預(yù)應(yīng)力配置較為復(fù)雜。大索體的設(shè)計方案同時也見于國外其他斜拉橋，例如2006年開工的孟加拉卡納夫里三橋，當(dāng)時單根斜拉索內(nèi)鋼絞線數(shù)量就已達到了91根。

3 結(jié)語

通過坦桑尼亞基甘博尼斜拉橋在設(shè)計理念上與國內(nèi)常規(guī)設(shè)計進行對比，筆者認為部分國外設(shè)計理念例如空心承臺、箱梁內(nèi)斜撐等是值得我們借鑒的，而部分設(shè)計方法值得我們分析研究，例如樁基承載力計算方法與國內(nèi)規(guī)范有較大的差異，而部分設(shè)計方法隨著新材料的發(fā)展我們可以在工程實施階段對設(shè)計提出優(yōu)化從而方便施工，例如本項目中的原設(shè)計倒掛梁上設(shè)置支座通過與設(shè)計溝通后變更為簡單的拉壓支座，極大的方便了墩頂施工。

隨著中國工程企業(yè)在海外的蓬勃發(fā)展，勢必要求從業(yè)人員更加熟悉國際規(guī)范，在理解設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上，通過對比中外設(shè)計理念，吸收國外優(yōu)秀的設(shè)計思路，同時通過溝通也可將我國優(yōu)秀的設(shè)計思路傳播出去，做到學(xué)術(shù)上相互交流的同時，也能方便現(xiàn)場的施工。

［1］AASHTO LRFD Bridge Design Specifications，SI units 4thEdition 20007．

［2］JTG－D63－2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范2007．

［3］余本俊．寬幅薄壁預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁加勁斜撐施工技術(shù)．世界橋梁2013(02)．