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兰州小砂沟大桥设计
发布时间:2015/4/20 13:56:06    发布人:dajianpp

1 工程概况

        兰州市北环路小砂沟大桥位于兰州市规划的二环路,在青白石附近跨越小砂沟及包兰铁路。大桥全长394m(不计桥台长度),主桥为(57+2×100+57)m 的波形钢腹板-混凝土组合箱梁连续刚构桥,最大墩高86.7m,边墩高49m;引桥为2×40m的先简支后连续小箱梁桥,兰州小砂沟大桥立面布置见图1。桥梁平面位于缓和曲线以及R=2 000m的圆曲线上,纵坡为0.5%,横坡为1.5%的单向坡。

    桥址区年平均气温为9.8℃,月平均气温最低为-6.9℃、最高为22.2℃,极端最高气温为39.8℃,极端最低气温为-19.7℃。小砂沟为间歇性冲沟,雨季一般有地表水,水量随降水大小变化,无通航要求,桥位与沟谷正交,河床两岸基本无植物。

        桥址区地层主要为第四系全新统素填土、冲积卵石土,上更新统风积黄土、冲积卵石土,下伏白垩系下统砂岩。桥址区出露的第四系上更新统风积黄土,具Ⅳ级(很严重)自重湿陷性,湿陷层厚为25~35m。

        工程区未见明显断裂构造,场地覆盖层厚度2~60m,该场地类别属Ⅱ类场地。该桥地震动峰值加速度为0.2g,反应谱特征周期为0.45s。

2 主要技术标准

(1)道路等级:城市主干道。

(2)桥面宽:左、右分幅,单幅宽13m。

(3)设计行车速度:60km/h。

(4)设计荷载:城-A。

(5)地震设防:地震基本烈度为8度,桥梁抗震设防分类为乙类,桥梁抗震设计方法采用A 类,抗震设防措施按9度取。

3 主桥结构设计

3.1 上部结构

        主桥采用(57+2×100+57)m 波形钢腹板-混凝土组合箱梁连续刚构桥。根据文献[1]的统计研究,相同跨度下波形钢腹板桥梁的梁高略高于混凝土腹板桥梁。已建成连续梁(刚构)桥的边中跨比在0.5~0.69,大部分在0.55~0.58[2],国内已建或在建的几座大跨度波形钢腹板连续梁(刚构)桥[3~8]的边中跨比在0.555~0.583,该桥的边中跨比为0.57。

3.1.1 主梁结构

        国内已建或在建的几座大跨度波形钢腹板连续梁(刚构)桥[3~8]的根部梁高与跨度之比在1/17.1~1/18,跨中梁高与跨度之比在1/34.3~1/38.6;小砂沟大桥的箱梁根部梁高6.2 m,高跨比为1/16.13,跨中梁高3.2m,高跨比为1/31.25,梁底按1.8次抛物线变化。主桥箱梁采用悬臂挂篮施工,除0号节段和边墩横梁附近的现浇段外,其余悬臂浇筑的节段长度均为1.6m(波形钢腹板1个波长的长度)的整倍数,梁高较高处为3.2m,梁高较低处为4.8m,合龙段长3.2m。国内已建成或在建的几座大跨度波形钢腹板连续梁(刚构)桥[3~8]的翼缘宽度与箱宽之比在0.392~0.538。小砂沟大桥单幅箱梁采用单箱单室断面(图2),顶板宽13.0m,底板宽6.6m,翼缘板悬臂长3.2m,翼缘宽度与箱宽之比为0.485;翼缘板悬




臂端部厚0.2m,根部厚0.7m;根部箱梁截面顶板厚0.6m、底板厚0.7m,跨中标准截面顶板厚0.33m、底板厚0.32m。

        为了实现混凝土腹板到钢腹板的渐变,在钢腹板与中横梁及端横梁连接处设置了内衬混凝土,该部分混凝土与顶、底板混凝土同时浇筑。

3.1.2 波形钢腹板

        波形钢腹板采用1600 型波形钢板,材料为345qD钢材,采用模压法成型。波形钢腹板波形水平段长430 mm,斜段水平长370mm,波高220mm,弯折半径为15t(t为波形钢腹板厚度)。波形钢腹板厚度分别采用14,18,20,22mm4种型号。

波形钢腹板的工厂制造尺寸主要考虑运输方便,当竖向长度大于4.0m时,顺桥向宽度取3.2m,当竖向长度小于4.0m时,顺桥向宽度取4.8m。

3.1.3 波形钢腹板的连接

        波形钢腹板与顶板采用双PBL剪力键连接。钢腹板顶端焊接翼缘钢板,其厚度为20~24mm,宽度为460mm。翼缘钢板上再焊接2块开孔钢板,其高为200mm,厚度为20~24mm;钢板正中开1排75mm的圆孔,为了与节段中普通钢筋布置相匹配,圆孔中心间距设置为160mm。孔中贯穿直径为28mm的横向钢筋。波形钢腹板与底板采用L200角钢连接键连接。钢腹板底端焊接翼缘钢板,其厚度为20~24mm,宽度为460mm。翼缘钢板上再焊接角钢,其厚度为20~24mm,纵向间距为320mm;角钢两侧各再焊接1道U 形钢筋,同时角钢上开1排60mm的圆孔,孔中贯穿直径为28mm的钢筋。

         波形钢腹板与纯混凝土梁段之间(顺桥向)采用多排多列布置的PBL剪力键连接,钢腹板上开50mm的圆孔,圆孔纵向间距为140mm,高度方向间距为150mm。

波形钢腹板与横隔板之间采用2排22×220mm圆柱头焊接栓钉连接,与内衬混凝土之间采用16×120mm圆柱头焊接栓钉连接,栓钉纵向间距均为200mm,高度方向间距均为225mm。

波形钢腹板之间(顺桥向)在施工期间先采用普通螺栓临时搭接固定,再采用角焊缝实现最终搭接连接。

3.1.4 横隔板设置

        横隔板对箱梁的抗扭刚度、截面的翘曲正应力和畸变正应力都有很大的影响[9,10]。为了提高结构抗扭刚度、减小截面的翘曲正应力和畸变正应力,横隔板的数量不能太少,但横隔板的增加又要增加结构自重。为此,小砂沟大桥的边跨设置3道整体式横隔板和1道半型横隔板,中跨设置4道整体式横隔板和3道半型横隔板。在有体外索转向块的位置,横隔板为整体式(设过人孔);没有体外索转向块的位置,为了减轻结构重量,设置半型横隔板(半型横隔板可以减轻一半以上的自重),见图2。

3.1.5 预应力体系

        主桥箱梁纵向按全预应力体系设计,纵向预应力筋分为体内束和体外束2种。


3.2 下部结构

        为了增大横向刚度,将左、右幅桥基础的承台连接在一起,并在墩顶采用2道(4号墩,见图3)或1道(其他墩)系梁将左、右幅桥的墩柱连接在一起。桥墩、承台和系梁形成框架结构,极大地增大了桥墩 的横向刚度。


       3号、4号主墩顺桥向尺寸为6m,2号、5号主墩顺桥向尺寸为4m。桥墩的横桥向为变截面形式,墩顶尺寸均为6.6m,2号、3号和5号桥墩的墩身按80∶1进行放坡,4号桥墩的墩身按50∶1进行放坡。2号、3号和5号桥墩的墩顶设置1道系梁,4号桥墩的墩顶设置2道系梁。2号桥墩的承台下接12根200cm钻孔桩,3号、4号和5号桥墩的承台下接18根220cm钻孔桩。

4 抗震设计

        小砂沟大桥桥墩高、地震烈度高、场地条件差,地震作用是该桥控制性设计因素。抗震设计从总体方案和构造措施2个层次进行考虑。

4.1 总体方案

        从总体方案考虑,该项目为城市桥梁,桥位和桥高已由两端道路基本确定,没有太大的选择空间,只能从桥型方案方面进行研究。经过从安全、经济、景观、施工、环保、维护等多方面对梁式桥、拱桥、斜拉桥等多个方案进行综合比较,波形钢腹板-混凝土组合箱梁连续刚构桥具有明显优势,作为实施方案。其比同跨度混凝土连续刚构桥上部结构自重减轻17%,桥墩地震作用减小4%~7%。

4.2 构造措施

        在抗震设计时,将主桥与引桥作为整体进行考虑,设置减隔震设施、耗能构件和其他抗震措施,增加构件延性。

        为了增加结构阻尼,在小里程桥台位置设置4套TJGZ-FD1500-e200型粘滞阻尼器,大里程桥台位置设置2套TJGZ-FD2500-e200型粘滞阻尼器;0号及6号桥台、1号及2号桥墩处均设置了矩形固定型高阻尼橡胶支座。为使地震作用能够传递到桥台位置,还在2号交接墩引桥侧设置4套TJGZLUD2000-e150型速度锁定器,大里程侧设置2套TJGZ-LUD4000-e150型速度锁定器。

         横向是小砂沟大桥抗震的薄弱环节,为增大横向刚度,将左、右幅桥的桥墩通过基础承台及系梁连接在一起,形成框架结构。系梁不仅可以增加桥墩横向刚度,而且还可以通过不同的道数和规格,对桥墩的横向刚度进行调节,横梁道数越多、尺寸越大,横梁的刚度越大。为调整桥墩的横向刚度,小砂沟大桥的各个桥墩采用不同的系梁道数和尺寸。

        系梁作为桥墩在正常使用状态下的非主要受力构件,还是桥墩的抗震耗能构件,对桥墩在地震作用下有保护作用。通过能力保护设计,调整系梁及墩柱配筋,系梁设计成相对较弱的杆件,在正常使用状态及E1地震作用下,系梁和桥墩均不屈服,在弹性状态下工作;在E2地震作用下,保证系梁先于墩柱屈服,下层的系梁先于上层的系梁屈服,系梁屈服时会消耗掉部分地震能量,同时,系梁屈服后桥墩的横向刚度会下降,地震作用也会相应减小,达到保护桥墩的目的。

        为达到桥梁结构大震不倒的目标,严格限制了在大震作用下桥墩屈服后的墩顶位移,使其小于桥墩结构的允许位移,桥墩塑性铰区的塑性转角小于其最大允许转角;为增加桥墩的延性,桥墩按照系梁先于墩柱破坏、连接节点后于杆件破坏、抗剪能力强于抗弯能力的原则设计。在E2地震作用下,系梁的设计剪力根据系梁实际所能承担的弯矩值进行推算,并考虑1.2的超强系数;墩柱的设计剪力除根据整体分析模型计算出的剪力值外,还要根据系梁实际所能承担的弯矩值反算墩柱弯矩(考虑1.2超强系数),再根据墩柱实际所能承担的弯矩反算墩柱剪力(考虑1.2的超强系数),取二者的较大值作为设计剪力。

5 结构计算

5.1 静力计算

        采用空间梁单元模拟各构件,采用MIDASCivil 2011建立三维有限元计算模型,将基础、桥墩和上部结构一起纳入计算模型。考虑的荷载有恒载、收缩徐变、基础不均匀沉降、汽车活载、制动力、风荷载、温度作用等。静力计算结果表明:

      (1)在荷载短期效应组合下,主梁组合截面上缘的最小压应力为0.5MPa,出现在临近边跨支点附近;截面下缘最小压应力为1.1MPa,也出现在临近边跨支点附近。在长期效应组合下,截面均不出

现拉应力。在持久工况组合工况下主梁组合截面上缘最大压应力为17.6MPa,组合截面下缘最大压应力为12.4MPa。在施工阶段,最大压应力为12.5MPa,最大拉应力为0.6MPa。

      (2)波形钢腹板在设计荷载作用下的最大剪应力为115MPa。

      (3)钢腹板与混凝土顶、底板之间的连接键借鉴国内外有关规范、规程或试验研究的计算公式进行计算,钢腹板与顶板之间采用半刚性的PBL剪力键,每个PBL剪力键的极限承载能力为412kN,最大滑移量为0.11mm;钢腹板与底板之间采用刚性角钢连接键,每个角钢连接键的极限承载能力为912kN。

5.2 抗震计算

         地震分析计算时,将引桥一起纳入分析模型,同时考虑高阻尼橡胶支座、速度锁定器及粘滞阻尼器的作用。全桥采用MIDAS Civil 2011建模,主梁和桥墩均采用空间梁单元模拟,二期恒载以附加质量考虑,基础采用等刚度的约束模拟,高阻尼橡胶支座采用连接单元模拟,采用双线性恢复力力学模型。根据《安评报告》中给出的加速度时程曲线对地震作用进行非线性时程分析。分析结果表明:在E1地震作用下,各桥墩均不屈服,满足强度要求;在E2地震作用下,主桥桥墩的系梁均将发生屈服,3、4号桥墩墩柱底的横向将发生屈服,但塑性铰区的塑性转角均小于其最大允许转角。

        地震作用下桥墩位移见表1,由表1可知,主桥各个桥墩的纵向位移基本相同,而2个较高桥墩的横向位移较5号矮墩的大57%以上。


6 主桥施工方案

     主桥桥墩采用爬模施工,主梁采用悬臂现浇施工方案。体内束在相应混凝土达到一定强度后就及时张拉、灌浆,体外束在全桥合龙后张拉。波形钢腹板在工厂制造,可以较好地控制质量,在施工现场吊装到位后,除了各个节段的连接焊接外,没有其他的焊接操作,高空作业的工作量较少。

        小砂沟大桥的2号交接墩高49m,在该位置搭设支架非常困难,所以主梁采用先合龙中跨,后合龙边跨的施工方案。中跨合龙采用临时固结措施,与普通混凝土刚构桥的合龙方式相同;边跨不对称段及合龙段均在吊篮上现浇,边跨悬臂施工的节段数及长度与中跨的相同,施工时不需要设置临时钢束。

        充分利用波形钢腹板的作用,将边跨不对称段及合龙段的波形钢腹板适当改造,主要是增加横向稳定的支撑杆,钢腹板就可作为能够承担箱梁施工荷载的吊篮使用,而不必额外制造专门的吊篮,从而降低工程费用;同时,由于改造成吊篮后的波形钢腹板是在工厂预制,在现场拼装后吊装架设,而且吊篮又是箱梁结构的组成部分,箱梁施工完后并不需要全部拆除,所以也缩短了工期。

7 结 语

        兰州北环小砂沟大桥于2013年开工,目前2,3,4号桥墩的基础与承台已完成,预计2015年竣工。该桥是国内在8度地震区在建的最大跨度、桥墩最高的波形钢腹板-混凝土组合结构连续刚构桥。为增加桥墩横向刚度,将左、右幅桥墩改造成框架形式;在无条件采用支架法施工边跨不对称段时,将波形钢腹板适当加强,改造成临时吊篮,节省额外的吊篮费用,完成不对称段的施工。该桥为增强抗震而设的桥墩构造形式、抗震措施和构造、合龙方式等可为在高烈度地震山区修建高墩大跨梁式桥提供经验。

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