488048m刚构连续梁桥设计.doc

48+80+48m预应力混凝土连续刚构桥设计研究摘要：跨314省道特大桥是一座跨越深山峡谷的大桥，主跨为(48+80+48)m预应力混凝土连续刚构桥。介绍该桥主跨的结构构造、分析计算及设计要点。该连续刚构桥是位于高地震烈度区的高墩大跨铁路梁桥，此桥的建成将对铁路客运专线高墩大跨梁桥具有重大意义。关键词：连续刚构；构造；刚构墩；设计要点1 桥位概况石太线跨314省道特大桥位于山西省阳曲县范庄村东南1500m处,斜跨314省道。桥址区为山间冲沟，冲沟呈“U”型，两岸沟壁陡立。沟顶地形起伏不平，多为灌木植被覆盖，地势沿东北向西南逐渐降低。经地质调查、钻探揭示，桥址区表层为第四系上更新统坡洪积层，上第三系上新统保德组地层；局部沟底为第四系全新统洪积层、人工堆积层,下伏奥陶系中统上马家沟二段石灰岩。土壤最大冻结深度101cm，地震动峰值加速度为0.20g（），场地类别为类。314省道顺沟而行，线路斜跨冲沟及314省道，夹角约35°。桥址处主跨采用(48+80+48)m预应力混凝土连续刚构。全桥立面布置见图1。图1 全桥立面布置（单位：cm）2 主要设计标准(1)线路等级：客运专线，近期兼顾货运；(2)正线数目：双线；(3)设计速度：近期200km/h客货共线、远期200km/h以上的客运专线；(4)平面：全桥位于位于R=8000m曲线；(5)线路坡度：13.4；(6)设计荷载: “中活载”设计，ZK活载验算；(7)地震基本烈度: 8度。(8)荷载组合 主力组合 主力+附加力组合取最不利组合进行设计。3结构构造3.1上部构造 连续刚构具有以下优点：1、主墩无支座；2、施工体系转换方便；3、伸缩缝少，行车舒适；4、顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度大，受力性能好；5、顺桥向抗推刚度小，对温度变化、混凝土收缩徐变及地震影响均有利。此桥根据地形情况采用此种结构型式。该桥主桥全部位于R=8000m曲线上，双线，线间距为4.6m。桥式为(48+80+48)m预应力混凝土连续刚构，一联全长177.5m（含两侧梁端至边支座中心各0.75m）；道碴槽桥面，道碴槽宽9m，碴槽内采用2的双向排水坡，桥面全宽13m。主梁控制截面梁高分别为：端支座处及边跨直线段和中跨中处为3.6m，边跨直线段长9.75m；中支点处梁高6.4m，平段长6.5m；梁底按二次抛物线变化。主梁梁体构造见图2所示。 图2 梁体构造（单位：cm）为了减少上部结构的自重，增加跨度、减少下部结构的工程量，并使主梁具有足够的抗扭刚度，主梁采用单箱单室直腹板截面。箱梁主梁构造如图3、图4所示。 图3 中跨中截面（单位：cm）图4 中支点截面（单位：cm）主梁上部结构为变截面悬浇预应力混凝土箱梁，梁体采用C50混凝土，箱梁截面为单箱单室，箱梁顶宽13m，顶板9m宽道碴槽内采用2的双向排水坡，箱梁底宽6.4m；顶板厚度35cm至45cm，按折线变化；底板厚度40cm至100cm，按直线线性变化；腹板厚45cm至55cm、55cm至80cm，按折线变化。横隔板全梁共设7道。箱梁在每个中支点处设置2道个厚70cm的横隔板，该横隔板与墩壁边对齐，以利于传力；梁端支座处设置厚145cm的端横隔板，中跨中合拢段设置厚80cm厚的中横隔板。各横隔板均设置进人洞以便施工和养护维修。全梁共分为75个梁段，中支点0号块及1号块12m，一般梁段长度为2.7m、3.1m、3.5m，合拢段长2m。边跨墩顶托架施工段长3.75m。挂篮、悬灌机具设备及工作人员计算重量为800KN。挂篮灌注最大长度3.5米，节段混凝土的最大重量为1617KN。该桥悬灌施工的合拢顺序为先中跨合拢再边跨合拢。中跨合拢后各有1个4m长的延伸悬臂段。箱梁采用三向预应力混凝土结构，纵向全预应力。预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线，标准强度fpk=1860MPa,Ep=1.95x105 MPa。腹板束采用12-75一束, 锚下张拉控制力为1300MPa；顶板束采用15-75一束，锚下张拉控制力为1240MPa；底板束采用15-75及17-75一束，锚下张拉控制力为1240MPa及1260MPa。锚固体系采用OVM系列，张拉采用配套YCWB型千斤顶，管道形成采用金属波纹管成孔，波纹管成孔内径均为D=90mm。全桥共设204束纵向预应力束，其中中支点顶板2x30束，腹板2x32束，边支点顶板2x4束，中跨底板34束，边跨底板2x32束，边跨延伸段顶板2x2束，中跨合拢段2束。纵向预应力筋布置见图5。图5 纵向预应力筋布置（单位：cm）梁体顶板横向预应力筋采用4-75钢绞线，张拉控制应力R=0.68fpk（不包括锚口摩阻损失），伸长值为76.3mm，采用内径尺寸70mmX19mm的扁形金属波纹管成孔。锚固体系采用BM15-4（P）锚具及配套的支承垫板,张拉体系采用YDC240Q型千斤顶，在箱梁两侧交替单端张拉。横向预应力筋只在横隔板处设置。竖向预应力筋采用25精轧螺纹钢筋，其抗拉极限强度为830MPa，张拉控制应力为622.5MPa。顶板为张拉端，底板为锚固端，千斤顶型号为JL785，锚固体系采用JLM-25型锚具，张拉体系采用YC60A型千斤顶；管道形成采用内径35mm铁皮管成孔。竖向筋在腹板厚45cm的梁段布置单筋，其它梁段布置双筋。主梁每个边支点各设2个TGPZ-IV 9000-DX多向活动支座及TGPZ-IV 6500-ZX纵向活动支座。3.2下部构造连续刚构的刚构墩与主梁共同承受内力，而且结构内力按刚构墩和主梁的刚度进行分配。梁部与下部刚构墩合理的刚度比，既可以满足全桥纵向刚度，又可以改善梁体的内力分布，提高材料的受力效率。刚构墩纵向刚度不仅要满足桥梁施工、营运和稳定性等方面的要求，而且桥墩的柔度应适应温度的变化，混凝土收缩、徐变以及制动力等因素引起的水平位移。刚构墩纵向刚度为了充分发挥墩身的抗弯能力尽量减小，而其横向刚度，因桥墩承受横桥向不平衡荷载或风载作用，易发生扭曲、变位，增大其横向桥的稳定性，使其横向刚度因大一些。为了满足刚构墩的刚度要求，其横截面采用抗扭性能好，抗推能力强的矩形空心截面。刚构墩考虑其8度地震力及动力仿真的影响，做了两个方案：方案一：梁体横向沿梁底放坡，纵向直坡；方案二：梁体横向沿梁底两侧各外包30厘米放坡，纵向直坡。计算时通过梁高、刚构墩横向墩壁厚度、刚构墩纵向墩壁厚度、中跨合拢时顶力、施工合拢顺序及边跨不同施工方法的计算分析比较，确定合理的主梁高度、板厚、减小刚构墩的温度内力，选取方案二作为刚构墩尺寸。该桥刚构墩结构尺寸的确定结合了全桥的静力及动力方面受力的合理性、经济美观以及施工方便等因素。该桥刚构墩构造见图6。图6 刚构墩构造（单位：cm）刚构墩采用了矩形空心截面。在墩顶处沿桥纵向墩顶宽6.5m，墩壁厚0.7m；沿桥横向墩宽7.1m，墩壁厚1.25m。主墩沿纵向墩壁内外侧为直坡，横向墩壁内侧为1：27，外侧为1：20。墩底以上5m范围为实体段。为了便于施工和养护维修，在主墩墩顶底板上设置一进人洞。刚构墩采用C50混凝土。两个刚构墩墩高分别为54m和59m，计算时分别划分为14个和15个计算单元，一般刚构墩梁段4m或5m长。刚构墩墩高为60m左右空心高墩，它属于偏心受压构件，在荷载作用下，墩柱截面上同时存在着轴向压力和弯矩。经过内力计算，外力组合，计算刚构墩墩顶（空心截面）、刚构墩距墩底5m（空心截面）、刚构墩墩底（实心截面）等截面处的强度、稳定性计算，确定其截面配筋数量。计算结果见下表：截面位置混凝土最大压应力h（Mpa）最大受压钢筋应力g'（Mpa）最大受拉钢筋应力g（Mpa）刚构墩墩顶截面3.61 28.42 13.51 刚构墩墩底截面4.9338.4450.01混凝土及钢筋容许值18.21801804 结构分析计算4.1 整体结构纵向计算 结构纵向计算采用曲线桥分析系统，分别进行了施工状态和运营状态计算。计算时考虑刚构墩墩底固结。桥面梁单元72个，刚构墩单元7487 （墩高54m） ，89103(墩高59m)，刚构墩与主梁不计自重单元4个。计算时考虑的施工方法为分别以两个刚构墩为T形支撑，向两侧对称悬臂施工，先中跨合拢，再悬浇4m边跨梁段，最后边跨合拢，完成全桥施工。施工过程中考虑了挂篮、悬臂段不平衡重、体系转换、风力等工况；运营阶段分别考虑了基础不均匀沉降 0.01m；温度荷载整体升温25度、降温25度、桥面板温度变化5度；活载及地震力的作用。4.2 主梁纵向计算主要结果1、结构的整体刚度项目数值允许值梁体竖向挠度（静中-活载）1.58E-020.089 梁体挠跨比（静中-活载）5.05E+03 梁体下挠梁端转角（静中-活载）5.40E-040.002 梁体反弯梁端转角（静中-活载）-5.38E-04-0.001梁体水平挠度0.002580560.022、频率与周期此梁利用有限元软件MIDAS进行分析计算，计算结果如下表所示。振型自振频率 (Hz)自振周期 (s)振型描述第一振型0.693 1.444大里程边墩纵向弯曲振动第二振型0.733 1.364主梁横向弯曲振动，桥墩横向弯曲振动第三振型0.758 1.320全桥纵向振动，固定墩纵向弯曲振动第四振型1.005 0.995主梁横向弯曲振动，桥墩横向弯曲振动第五振型1.348 0.742主梁横向弯曲振动，桥墩横向弯曲振动第六振型1.434 0.697小里程边墩纵向弯曲振动结构满足自振周期的要求。3、控制截面计算指标类型分类混凝土应力主拉应力主压应力抗裂安全系数强度安全系数钢束最大应力比钢束最大应力幅节点号21号支点37号中跨中10号边跨中53号支点 Mpa Mpa上翼缘下翼缘成桥状态（二期恒载）上翼缘混凝土应力(Mpa)最大7.049.74.727.12最小下翼缘混凝土应力(Mpa)最大4.767.77.84.67最小主力上翼缘混凝土应力(Mpa)最大7.8812.767.187.98-3.0613.961.411.552.170.59431.583最小2.439.212.992.5下翼缘混凝土应力(Mpa)最大9.617.619.969.54最小3.693.464.143.59主力+附加力上翼缘混凝土应力(Mpa)最大8.6114.258.098.59-3.3414.941.361.381.970.59840.701最小2.348.662.51.98下翼缘混凝土应力(Mpa)最大9.768.4910.6810.15最小2.871.312.882.93单线行车+地震力上翼缘混凝土应力(Mpa)最大7.0511.125.597.15-1.6912.911.671.762.410.58911.638最小4.969.494.175.03下翼缘混凝土应力(Mpa)最大6.97.398.326.81最小4.595.436.364.49容许值运营主力混凝土容许应力16.75 Mpa3.120.11.21.220.6140运营主力+附加力混凝土容许应力18.425 Mpa1.8该刚构桥的各项计算指标满足设计要求。4.3 箱梁横向计算箱梁横向计算时将箱梁横向简化成带刚性支承的框架结构，支点在两腹板下，按桥规要求计算桥梁纵向活载影响分布宽度，换算成每延米的集中荷载作用在框架顶板上。计算荷载包括恒载、活载、温度变化等作用。根据梁体截面的横向计算确定梁体普通钢筋的配筋。5 结构设计要点5.1 刚构连续梁桥墩梁固结局部应力分析为了能够真实、准确的模拟实际结构的受力状态，对墩梁固结部分建立了空间有限元实体模型，对墩梁固结部位进行了单元细化。模型的边界条件为对墩底三个方向的自由度进行刚性约束；荷载条件为采用主力荷载（截面弯矩最大、剪力最大、轴力最大），主力加附加力荷载（截面弯矩最大、剪力最大、轴力最大）六种荷载工况分别进行模拟。轴力按均布力（压强）加到整个截面上，弯矩换算为力偶来模拟。其有限元模型如图5所示。局部应力分析计算结果与纵向计算结果基本一致。该结构满足设计要求。5.2 刚构墩温度内力 刚构连续梁桥墩梁固结，是一种超静定结构，为了防止温度内力过大，可以采取以下相应措施： 1减小刚构墩的抗推刚度。刚构墩的抗推刚度越小，其温度内力就越小。本次设计通过比较刚构墩横向墩壁厚度、纵向墩壁厚度，通过梁体纵向计算，确定合理的刚构墩尺寸。该刚构墩的纵向刚度为780KN/cm（墩高59m）、993KN/cm（墩高54m）。 2. 控制合拢段施工温度。合拢要求在设计合拢温度下进行，劲性骨架把合拢段梁段两端主梁连接起来，使整个主梁连成整体，共同承受荷载。主梁的设计合拢温度是综合考虑各种因素确定的，在具体施工中，必须计算实际合拢温度与设计合拢温度差产生的位移，使支座释放该位移后，再进行刚性连接，浇筑合拢段混凝土。5.3 刚构墩内力调整 在中跨箱梁合拢前，对主梁施加800KN的顶推力。施加顶力完毕后，锁定劲性骨架，张拉合拢段临时预应力钢束，浇筑合拢段混凝土。这样可以使顶推力存在于梁体内，有效降低墩身的水平力，对改善桥墩的受力效果显著。合拢段施加顶力时，以顶力为控制指标，合拢段两端水平位移量为校核指标，顶力总量800KN，由四台千斤顶均匀承担，浇筑合龙段混凝土时，期间逐渐卸配重。5.4 梁体挠度控制 影响梁体挠度的因素很多，如梁高、合拢段顺序、钢束配束形式、混凝土材料等，尤其后期混凝土的徐变对梁体下挠的影响非常大。本次设计通过以下几种方式尽量克服混凝土后期的徐变效应。1增加梁高。设计中对梁高进行了比选，增加梁高对跨中下缘的受力有所改善；2增加中跨底板合拢束。底板钢束采用分批张拉，有一部分钢束待混凝土收缩徐变完成一时间后，再进行张拉。这样既可以保证钢束张拉时梁体下缘应力不会太大，又可以提高跨中下缘安全储备。3延长混凝土加载龄期，减小徐变对结构的影响。本次设计要求各悬臂施工阶段施工周期为15天。4.全桥合拢后的两个月后再进行桥面铺装工程，可以达到减小混凝土徐变对梁体跨中下挠的影响。5.5梁体施工阶段稳定性分析 利用有限元软件MIDAS进行分析计算，建立空间模型，进行线性屈曲分析。计算悬臂施工到最大状态时，考虑各种最不利工况下的特征值系数，计算线性屈曲系数，计算结果表明该结构在施工阶段不会失稳。5.6梁体抗震分析 该连续刚构桥是位于高地震烈度8度震区的大跨高墩铁路梁桥，地震动峰加速度值为0.20g。刚构墩墩身进行罕遇地震下的时程分析内力与反应谱法内力检算，并且考虑重要性系数1.4和客运专线提高系数1.1。通过荷载组合计算，其墩身截面配筋满足抗震设计要求。6 结束语 跨314省道特大桥是石太线上跨度最大的桥梁，59m的刚构墩也是该线最高的桥墩。随着我国铁路路网的加速建设，必然出现许多在高山峡谷中铺路设桥的情况。刚构连续梁桥作为一种适用、经济、美观的桥型，将会有更广阔的应用空间。笔者为今后客运专线刚构连续梁桥的设计提供了有益的经验。参考文献：1 邬晓光 刚架桥M 北京：人民交通出版社，20012 TB 10002.3-2005 铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范 S