某全整體無縫橋關鍵設計要點

林 松

(中國華西工程設計建設有限公司,四川 成都 610000)

我國是橋梁大國,據2016年交通運輸部統計資料,全國公路橋梁有80.53萬座,其中中小橋68.07萬座,占89.1%,絕大多數橋梁在運營多年后都暴露出支座和伸縮縫的病害,給養護管理部門造成了很大的困擾[1-4],橋梁設計中少設或不設支座和伸縮縫是當代設計師應堅持的理念。

通常無縫橋分為全整體、半整體和延伸橋面板3種形式,全整體式無縫橋在全橋既無伸縮縫又無支座,是無縫橋中整體性能最好的一種形式。由于其還具有抗震性能強、耐久性好、維護成本低、行車舒適度好、全壽命周期經濟指標好等優點,符合當今橋梁設計理念,在中小橋設計中逐步受到青睞。

1 總體設計

該橋上跨城市道路,橋位周邊是公園和學校,對橋梁設計降低噪聲污染提出了極高的要求,也正是由于對噪聲的要求,導致最初設計的三跨連續梁方案在后期被否決(如圖1所示)。

基于降低噪聲污染要求,綜合考慮橋梁經濟性,設計提出了采用全整體式無縫橋方案。該橋分左、右幅設計,單幅四車道,橋寬為17.0 m,維持跨徑布置3×30 m和橋長90 m與原方案一致;取消兩頭伸縮縫及支座設置,采用墩梁固結,將兩頭橋頭搭板設置為Z型漸變式搭板。為了減少下部結構對上部結構的縱向約束,使得上部結構主梁仍然能按照預應力A類構件設計,設計時將縱橋向雙排樁改成單排樁(橋臺樁基由雙排直徑1.2 m變成單排直徑1.5 m,橋墩樁基由雙排直徑1.5 m變成單排直徑1.8 m),并將原來的方墩改成矩形扁墩(1.5 m×1.5 m方墩變成1.2 m×1.8 m矩形扁墩);為了使得中橫梁受力更加合理,設計增大了墩柱橫向中心間距,避免在橫梁中采用橫向預應力,簡化中橫梁受力。最終橋型立面、斷面如圖2所示,在同類結構中橋長屬國內最長。

上部結構與原方案普通連續梁一致,采用單箱三室現澆箱梁斷面,梁高為1.6 m;箱梁懸臂寬2.25 m,端部厚0.2 m,根部厚0.4 m;箱梁采用斜腹板,斜率為2∶1,底板寬10.3 m。跨中斷面頂板厚度為0.25 m,底板厚度為0.22 m,腹板厚度為0.45 m;在支點位置頂、底、腹板分別加厚至0.45 m,0.42 m,0.75 m,順橋向采用6 m線性漸變過渡。

兩側橋臺與主梁固結,橋臺采用板式橋臺,壁厚為1.0 m,每個橋臺下設置4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁,橋墩采用矩形雙柱墩,順橋向厚為1.2 m,橫橋向寬1.8 m,每根墩柱下面設置1根直徑為1.8 m鉆孔灌注樁;墩柱與樁基之間通過承臺進行連接。

2 有限元模型建立及主要結果

正確合理的有限元模型建立是該橋設計的關鍵環節,設計時有限元模型采用Midas Civil建立,各桿件單元均采用梁單元進行模擬(見圖3)。與傳統連續箱梁橋不同的是,全整體式無縫橋上、下部整體受力;模型建立時需要模擬主梁、墩柱和樁基,同時樁基需考慮樁土的共同作用。

與傳統設支座連續梁區別在于整體升降溫及臺背的填土荷載一般不會對主梁產生內力;但整體式無縫橋,由于墩梁固結,梁端與橋臺固結,整體升降溫及臺后填土工況會對主梁內力產生較大影響,設計時需要整體考慮,圖4示出了主梁正應力、主應力、位移及自振頻率結果。

樁端嵌巖按照固定邊界考慮,臺背填土按照主動土壓力進行施加,樁周土模擬為只受壓彈簧,彈簧側向剛度K計算如下:

F=σxzAz。

按照溫克爾假定:

σxz=CzXz。

Cz=mz。

Az=azbz。

則:

其中,K為深度z處土的側向彈簧剛度;Az為深度z處土的計算面積;bz為深度z處基樁計算寬度;az為深度z處土層的厚度;Cz為深度z處的地基系數;m為地基土比例系數;z為土的計算深度。

3 關鍵構造設計

與傳統預應力混凝土連續梁橋相比較,由于全整體式無縫橋橋臺與梁端固結,橋臺抗推剛度大,對主梁在收縮徐變、整體升降溫等受力工況都有著較大的影響;合理的構造設計是實現結構受力合理、施工便捷及結構安全的關鍵之處。

1)橋臺構造設計。該全整體式無縫橋的構造如圖5所示,臺身采用板式結構,厚1.0 m,臺身與樁基之間設置轉換承臺,承臺下設置一排直徑為1.5 m樁基,臺身相隔一定間距設置泄水孔;為了使得預應力張拉階段受力更加合理,張拉力能更大程度施加到主梁上,在臺身設置后澆帶,并設置臨時支撐系統。

臨時支撐系統的設計是該橋設計的關鍵所在,包括型鋼塊,填充砂和砂漿層;型鋼塊傳遞豎向力,填充的砂和砂漿層除起到模板作用,還起到防止澆筑臺身上半段時水泥漿與臨時支撐系統固結,避免了臨時支撐系統失效;同時也避免了安裝橋臺豎向鋼筋時給模板開孔的麻煩;實現了橋臺分段施工但鋼筋整體綁扎的工藝,給后期同類橋臺的設計帶來借鑒。

2)臺背回填及Z形搭板設計。整體橋臺的臺背回填受到整體升降溫、收縮徐變、車輛等反復荷載作用,搭板的設計及臺背回填是橋梁與道路銜接的關鍵所在。該橋臺背回填構造設計如圖6所示;臺背回填中粗砂起到密實作用;搭板錨筋將Z形搭板主梁連接成為整體,傳遞橋梁縱向位移;Z形搭板使得豎向剛度漸變過渡,避免了臺后不均勻沉降,并將橋梁整體縱向位移傳遞到一定覆土深度,減輕由于橋梁縱向伸縮引起的路面開裂程度。搭板上、下表面設置細沙層,減少搭板伸縮引起的摩擦力。

4 主要施工順序設計

傳統預應力混凝土梁橋多數采用一次落架施工方法,縱向鋼束張拉完,主體結構成形,不需要施工階段轉換。

但全整體無縫橋由于上下部成為一整體,為了最大程度將預應力效應施加到主梁上,將橋臺背墻分兩階段澆筑,在橋臺設置臨時支撐系統,主要施工順序如表1所示。

表1 主要施工順序

5 主要經濟指標

全整體式無縫橋不僅力學性能優,而且經濟指標好,擁有廣泛的應用前景,具體見表2,表3。

表2 主要材料用量表

表3 主要材料用量指標表

對比分析上表可知,全整體式無縫橋在上部結構材料用量與普通預應力連續箱梁基本不變,僅在預應力鋼束用量上略多;下部結構由于將雙排樁改成單排樁,將重力臺改成板式臺,大大減少了下部結構(樁基+墩臺)材料用量,混凝土用量減少約55%;但全整體式無縫橋上、下部結構一起受力,下部結構除承受豎向力外還承受彎矩,導致下部構件配筋率高,總體鋼筋用量相當。

6 結論

本文總結分析了某全整體無縫橋總體設計,關鍵構造細節、有限元模型、關鍵施工技術、主要經濟指標,通過總結分析得出如下結論:

1)全整體式無縫橋不僅整體性能好,抗震性能強,行車舒適度高,相比于普通連續箱梁橋,其經濟指標還優。

2)本文中有限元模擬技術,構造細節、施工技術可以為今后同類橋梁設計提供參考。

3)在我國已建成的橋梁中,中小橋占據很大比重,絕大多數橋梁在運營多年后都暴露出支座和伸縮縫的病害,本文為已建成部分中小橋今后無縫化改造提供思路。