小半徑大跨度體外預應力鋼混組合梁橋設計研究

安偉勝

(河北省交通規劃設計研究院有限公司 石家莊市 050000)

0 引言

伴隨著中國社會的快速發展,城市的持續擴張導致了交通堵塞等城市問題的普遍存在。同時,北京這座大都市的影響力使得其周圍的城市也承受了巨大的交通負擔。

燕郊鎮位于北京通州區以東,是北京上班通勤的重要樞紐,也是河北通往北京的“西大門”。近年來,隨著燕郊鎮人口增多,商業迅猛發展,燕郊鎮高新技術產業開發區人口增多,交通樞紐改造面臨更高要求。

1 工程概況

燕郊西出口改建工程位于三河市燕郊鎮西部燕郊鎮高新技術產業開發區,項目以通燕高速、G102為主線,通過設置8條匝道及2條環島路(南環島路、北環島路)對既有簡易環島進行改造。

由于場地十分狹窄,包括改造主線、8條互通匝道、2條環島輔路在內的11條道路主要占地區域僅約為9×104m2。匝道路線平曲線半徑小,跨越道路匝道縱坡大,在此困難線形上布設橋梁密集。其中,D匝道展線最為困難,主要疏導河北方向車輛,通過燕順路進入燕郊北部。

D匝道以橋梁方式先后分別跨越環島南路、A匝道、通燕高速、B匝道、C匝道、E匝道、環島北路、H匝道,以高架橋形式逐漸與燕順路合并接地,具體見圖1。

圖1 互通方案布置圖

2 跨線橋設計

項目所在區域地震烈度較高,地震動峰值加速度為0.3g,且項目所處位置對快速恢復交通的需求非常迫切,橋梁上部結構設計采用施工快速、整體性好、抗震性能優、彎坡斜適應性強的鋼混組合箱梁[1]。由于橋梁跨越道路凈空受限,主梁建筑高度適當降低,加之橋梁所在路線平曲線半徑小,主梁剛度及受力狀態均處于不利工況。為了提高主梁剛度,在主梁箱體內施加體外預應力,鋼束采用環氧涂層鋼絞線成品索,增加主梁抗彎、抗剪承載力,同時增加主梁的總體剛度,改善小半徑、大跨度條件下的受力狀態。

2.1 跨路橋梁方案擬定

該項目互通匝道布置空間極為有限,且場區道路交織較多,為了同時跨越多條道路,D匝道需要快速提高縱斷跨越道路,然后迅速落地,并實現不同道路間交通流的轉向。因此,匝道線形指標較低,匝道平曲線最小半徑為60m,最大縱坡為3.8%。

D匝道橋第二聯橋梁同時跨越環島南路、A匝道、通燕高速和B匝道,平曲線半徑60m。根據通燕高速保通要求,此處不允許斷交。匝道在第二聯處與通燕高速交叉角約61.7°,考慮臨時墩置于通燕高速硬路肩方案,橋梁上部結構采用35m+54m+35m鋼混組合箱梁。D匝道橋第三聯橋梁同時跨越C匝道、E匝道、環島北路,平曲線半徑90m,根據地方要求,此處E匝道及環島北路亦不允許斷交。匝道在第三聯處與E匝道、環島北路交叉角分別約為46.4°和34.0°,橋梁上部結構采用35m+54m+35m鋼混組合箱梁。D匝道橋第五聯橋梁同時跨越H匝道、燕順路,平曲線半徑60m,根據地方要求,此處燕順路不允許斷交;匝道在第五聯處與燕順路交叉角約36.5°,橋梁上部結構采用30m+35m+45m+35m鋼混組合箱梁。

綜合安全、經濟、美觀等要求,橋墩采用矩形柱式墩,墩柱刻槽,結構尺寸以滿足強度及穩定要求為原則,墩身的水平力按集成剛度法計算。橋臺則根據所處位置、地形、地質、臺后填土高度及跨徑等情況,通過計算選用壁式臺。根據具體地質情況,墩臺基礎采用鉆孔灌注樁基礎,樁徑依據跨徑及墩臺高度情況確定,樁長依據樁頂反力和地質情況計算確定。同一橋梁盡可能減少樁柱類型,以方便施工。

2.2 鋼混組合梁構造尺寸

主梁截面充分發揮鋼和混凝土的受力特點,下部主要由開口鋼箱梁承受拉力,上部主要由混凝土橋面板承受壓力,鋼箱梁和橋面板之間采用剪力釘連接。D匝道橋鋼箱梁底部寬7.5m,組合梁結構中心線處鋼梁高1.8m,橋面板為變截面,厚度為0.3～0.4m,主梁結構中心線處全高2.2m,橋面板寬10.5m。

第二聯預制鋼梁共分5個制作段,分別為(29+24+30+16+25)m;

第三聯預制鋼梁共分5個制作段,分別為(21+28+26+28+21)m;

第五聯預制鋼梁共分7個制作段,分別為(20+20+15+20+25+20+25)m。

鋼梁采用工廠制作、焊接的方式,試拼無誤后分段運至現場,現場在鋼梁拼接口處設置臨時支撐,吊裝鋼梁后,采用高強螺栓連接形成連續鋼梁,在箱梁間及翼板處采用臨時支架搭設模板澆筑橋面板混凝土,待達到設計強度后張拉混凝土體內預應力和體外預應力,拆除臨時支撐完成體系轉換,安設橋側混凝土護欄及澆筑橋面鋪裝后成橋。

2.3 預應力系統

該橋共設置三聯鋼混組合梁結構,均為跨路需求。由于場地及匝道線形限制,跨路處橋梁主梁高度需極大限度降低。為了改善結構受力,該橋鋼混組合梁墩頂負彎矩區采用橋面板內施加體內預應力的方式減小負彎矩區橋面板受拉;主梁箱體內施加體外預應力以增加主梁抗彎、抗剪承載力和剛度。

3 鋼混組合梁結構計算

計算采用Midas Civil進行模擬,組合主梁采用雙單元模擬,上層為橋面板結構,下層為鋼主梁結構[2]。模擬施工順序為:(1)鋼梁架設;(2)施加橋面板濕重;(3)橋面板剛度形成(張拉預應力);(4)撤掉臨時支撐;(5)施加二期恒載;(6)橋面板虛擬單元;(7)施加車輛荷載;(8)收縮徐變10年。

3.1 35m+54m+35m鋼混組合梁計算

圖2所示為鋼混組合梁模型。

圖2 35m+54m+35m鋼混組合梁模型

鋼主梁抗彎承載能力驗算:鋼梁在基本組合下的正應力分布。列出模型最不利基本組合下的應力結果,見表1、表2及圖3～圖6。結合受力情況,體外預應力鋼束進行了相應調束,使正應力分布相對較為均勻,滿足規范要求。

表1 基本組合下主梁應力匯總表

表2 折算應力表

圖3 最不利組合鋼梁上翼緣正應力(單位:MPa)

圖4 最不利組合鋼梁下翼緣正應力(單位:MPa)

圖5 最不利組合剪應力包絡圖(單位:MPa)

圖6 最大豎向位移(單位:mm)

腹板抗剪承載能力驗算:鋼梁在基本組合下的最不利基本組合,墩頂斷面最大剪應力為110MPa,跨中斷面最大剪應力為27MPa,滿足規范要求。

體外預應力提升鋼混組合梁整體剛度較為明顯,橋梁在活載作用下的中跨跨中最大豎向撓度為8mm

3.2 30m+35m+45m+35m鋼混組合梁計算

圖7所示為鋼混組合梁模型。

圖7 30m+35m+45m+35 m鋼混組合梁模型

鋼主梁抗彎承載能力驗算:鋼梁在基本組合下的正應力分布。列出模型最不利基本組合下的應力結果,見表3、表4及圖8～圖11。結合受力情況,體外預應力鋼束進行了相應調束,使正應力分布相對較為均勻,滿足規范要求。

表3 基本組合下主梁應力匯總表

表4 折算應力表

圖8 最不利組合鋼梁上翼緣正應力(單位:MPa)

圖9 最不利組合鋼梁下翼緣正應力(單位:MPa)

圖10 最不利組合剪應力包絡圖(單位:MPa)

圖11 最大豎向位移(單位:mm)

腹板抗剪承載能力驗算:鋼梁在基本組合下的最不利基本組合,墩頂斷面的最大剪應力為72MPa,跨中斷面的最大剪應力為60MPa,滿足規范要求。

體外預應力提升鋼混組合梁整體剛度較為明顯,橋梁在活載作用下的中跨跨中最大豎向撓度為10mm

4 結論

以燕郊西出口改建項目中狹小空間橋梁為研究對象,分析總結跨路小半徑、大跨度橋梁的設計方案,得出以下結論:

(1)對于空間有限且需要跨路的橋梁,鋼結構主梁適應性強,抗震性能好,可極大降低既有交通的影響。

(2)結合鋼混組合梁受力情況,通過調試體外預應力鋼束彎起位置和張拉強度,主梁受力較為均勻,提升鋼混組合梁整體剛度效果較為明顯。對于小半徑、大跨度橋梁,可在墩頂負彎矩區采用橋面板內施加體內預應力的方式減小負彎矩區橋面板受拉;主梁箱體內施加體外預應力,以增加主梁抗彎、抗剪承載力和主梁剛度。