下承式預應力桁架系桿拱橋設計與施工

李曉英,楊恩偉

(1.浙江省湖州南太湖水利水電勘測設計院有限公司,浙江 湖州 313000;2.浙江省湖州市水利水電工程管理處,浙江 湖州 313000)

0 引 言

下承式預應力桁架系桿拱橋是一種拱式組合體系結(jié)構(gòu)[1].由拱肋、系桿、弦桿、橫梁、行車道梁(板)、橋面系等組合而成,其力學性能和材料指標往往優(yōu)于同等設計條件的單一結(jié)構(gòu)體系.特點是將主要承受壓力的拱肋和主要承受彎矩的行車道梁組合起來共同承受荷載,充分發(fā)揮被組合的各種單體結(jié)構(gòu)的特長,以達到節(jié)省材料和降低對地基的要求的設計構(gòu)想.由于拱肋與行車道梁的聯(lián)結(jié)方式可以有多種形式,一般可劃分為有推力和無推力兩種類型.本文介紹的實例就是外部靜定的無推力結(jié)構(gòu),兼有拱橋的較大跨越能力和簡支梁橋?qū)Φ鼗m應能力強的兩大特點.

1 工程概況

實例為湖州市重點水利工程——老虎潭水庫的一座交通橋工程,跨越于泄洪渠上,與泄洪渠正交布置[2].成為連接庫區(qū)上壩公路與管理區(qū)的紐帶.

橋梁單孔跨徑50 m,橋面全長52.4 m,橋面頂高程21.5 m(1985國家基面標高).橋面毛寬為0.6 m(拱肋)+1.0 m(人行道)+6.0(車行道)+1.0 m(人行道)+0.6 m(拱肋)=9.2 m.縱向平坡,橫向設雙向1.5%排水坡.橋下有泄洪要求,梁底標高為20.355 m[7].橋梁設計載重為公路-Ⅱ級、人群荷載3.0 kN/m2.

本橋于2009年11月正式竣工通車,其輕盈的結(jié)構(gòu)造型與庫區(qū)環(huán)境形成了一道獨特的風景,見圖1.

圖1 交通橋?qū)嵨飯D

2 結(jié)構(gòu)設計特點

本橋為下承式預應力桁架系桿拱橋,橋梁結(jié)構(gòu)布置,見圖2,拱軸線為二次拋物線,矢高6.7 m,矢跨比1∶7.5,吊桿的節(jié)間距5 m.全橋各種荷載均由二片預應力系桿拱承受,為便于施工吊裝,并結(jié)合受力特點,每片預應力拱片由五節(jié)片組成(二片端節(jié),二片中節(jié),一片頂節(jié)),端節(jié)長0.7+2×5.0 m,中節(jié)長2×5.0 m,頂節(jié)長2×5.0 m,均通過 6束鋼絞線,每片吊裝自重頂節(jié)重26.6 t,中節(jié)重25.7 t,端節(jié)重24.6 t.二片預應力系桿拱之間通過11根車道橫梁及3根頂橫梁連接成主體框架,在車道橫梁之間鋪設8塊預應力空心板,組成整體橋面.

增加斜桿的預應力桁架系桿拱從構(gòu)造和布置上看,除斜桿與拱肋和弦桿的錨固稍顯復雜外,這種體系與豎吊桿體系相似;但從內(nèi)力分配和整體剛度的觀點看,增加斜吊桿體系與豎吊桿體系之間有顯著的差異[3].有斜桿比沒有斜桿的剛度大幅提高,并能降低拱肋中的彎矩(但在豎吊桿體系拱肋中,由活荷載引起的最大彎矩約為 ql2/200～ql2/300),使軸向力成為決定拱肋截面尺寸的內(nèi)力,且軸力的大小與豎吊桿體系的拱肋軸力沒有顯著變化.可以充分發(fā)揮混凝土的抗壓特性,縮小拱肋尺寸.

主要選材:混凝土:預應力系桿拱片與車道橫梁用C50混凝土,預應力空心板用C40混凝土,頂橫梁用C35混凝土,橋面鋪裝層與安全帶用C40混凝土,橋臺臺帽用C30混凝土,其他部位用C25混凝土.鋼材:主孔中預應力鋼束采用Φs15.2(7Φs5)鋼絞線,其標準強度為1860 MPa.橋道空心板采用四孔預應力空心板,采用消除應力鋼絲,其標準強度為1470 MPa,其它主筋均采用Ⅱ級螺紋鋼筋(HRB335),分布筋采用Ⅰ級圓鋼(R235).

3 結(jié)構(gòu)施工工序

不同的施工工序及方法對成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)影響甚大.根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點及施工各階段受力特征,本橋的下部結(jié)構(gòu)采用扶壁式鋼筋混凝土橋臺,上部結(jié)構(gòu)采取現(xiàn)澆與預制相結(jié)合的辦法施工.其施工流程操作程序按如下控制:先實施完成兩岸橋臺扶壁式擋墻基礎開挖及混凝土澆筑,并同時完成桁架拱10個節(jié)片混凝土預制(每片中拱肋、下弦、豎桿、斜桿等統(tǒng)一放樣就近選場預制).

3.1 下部結(jié)構(gòu)的施工工序

為使兩岸橋臺底板置于弱風化基巖上,橋臺底板需放至8.00 m高程,橋臺頂高程為21.5 m.鑒于兩岸橋臺高度較高(13.5 m),經(jīng)綜合比選,橋臺結(jié)構(gòu)型式采用扶壁式鋼筋混凝土橋臺[5].按橋臺結(jié)構(gòu)要求,對其澆筑程序按如下控制:完成兩岸橋臺基礎開挖→澆筑混凝土墊層→完成底板鋼筋骨架綁扎與混凝土澆搗,→待其強度達到70%設計值以上時,再完成兩側(cè)扶壁擋板鋼筋骨架綁扎與混凝土澆搗(由于擋板的厚度只有30 cm,高度又較高,因此分段澆筑時需充分振搗)→待其混凝土強度達到85%設計值以上時,再按填筑程序的要求,完成兩岸橋臺砂礫石的回填.

兩岸橋臺填筑程序控制:為有利結(jié)構(gòu)受力,必須按如下程序操作:先完成泄洪渠底面標高以下墻內(nèi)外砂礫石填筑(須按墻內(nèi)外,均衡同步的回填控制),再完成底面高程以上,兩岸護坡回填,然后再完成墻內(nèi)4 m高砂礫石填筑,余留的墻內(nèi)3 m高填筑,應待主橋完成后進行.

3.2 上部結(jié)構(gòu)的施工工序

待砼強度達到設計值后,進行各節(jié)片豎桿預應力束張拉.節(jié)片張拉與拼裝,節(jié)片豎桿鋼束應在現(xiàn)場就地張拉,單豎桿鋼束用5根Φs15.2鋼絞線,張拉控制力為97.65 t,雙豎桿鋼束用3根Φs15.2鋼絞線,張拉控制力為58.59 t.拱片下弦桿鋼束用通長6束布置,采用雙向同步張拉,每束用7根(7Φs5)鋼絞線,張拉控制力為136.71 t.

待五片節(jié)片及上下橫梁安裝完成后,濕接頭強度達到95%以上,方可進行下弦桿鋼束張拉;其張拉程序為:對下弦桿上、下4束預應力筋進行張拉,同時完成車道橫梁上層2束預應力筋張拉,再安裝完成橋面預應力空心板及人行道板,采用從兩端向跨中同步均衡對稱安裝,完成橋板鉸接縫及鋪裝層砼澆筑,應從兩端向跨中對稱平衡澆筑,待鋪裝層砼強度達95%以上時,再對剩余下弦桿中間二束預應力筋及車道橫梁余留下層2束預應力筋進行張拉,最后拆除臨時貝雷支架系統(tǒng).

4 施工精度控制

拱節(jié)片預制因拼裝施工精度要求較高,故每節(jié)片預制時,必須精確控制它的水平度,幾何形狀與尺寸[4].澆筑節(jié)片的方法,建議采用整體重疊臥式澆筑,即按圖中尺寸標準用一個大樣精確控制.拱節(jié)片須整體連續(xù)澆筑,由于混凝土標號高達C50,為保證質(zhì)量,氣溫高時需摻用減水劑.

節(jié)片架設與吊裝,完成臨時貝雷支架搭設及預壓.節(jié)片起吊安裝,由于節(jié)片橫向剛度小,在吊裝時必須謹慎穩(wěn)妥.節(jié)片起吊前,對其薄弱部位(斜桿與豎桿),必須用各種工具、桿件或索具按起吊時構(gòu)件受力情況予以加固后,方可起吊;在節(jié)片由水平位置改為豎直時,應注意同步受力,防止折斷,然后移動精確就位.

5 張拉程序與質(zhì)量控制

后張法鋼絞線張拉程序為:0→初始應力(0.1σcon)→σcon(持荷 2 min 錨固),σcon為張拉時的控制應力,張拉質(zhì)量控制,滑絲量和斷絲的控制:張拉過程中如1根鋼絞線被拉斷,該束應換束重拉.每束中鋼絲拉斷數(shù)量容許1根,鋼絞線的瞬時回縮值不得大于3 mm,張拉滑移量的總和不得大于該束總伸長的2%.對車道橫梁骨架中選用Φ 22的螺紋鋼,在使用前應進行力學性能試驗.每批中截取9根試件,3根做拉力試驗,3根做冷彎試驗,3根做可焊性試驗,試驗結(jié)果均應滿足規(guī)范要求,其它主筋也應進行抽樣試驗[6].

6 結(jié) 語

近年來,下承式預應力桁架系桿拱橋已經(jīng)在水利工程中得到較為普遍的運用,而增加了斜吊桿的預應力桁架系桿拱結(jié)構(gòu)在力學特性諸如內(nèi)力、撓度等方面均優(yōu)于豎吊桿體系.其立面的視覺效果也富有節(jié)律的變化,建橋的經(jīng)濟指標也較優(yōu).因而在類似跨徑橋梁的實際選型中,此結(jié)構(gòu)體系不失為一種值得優(yōu)先考慮的橋型.

[1]顧安邦,孫國柱.拱橋[M].北京:人民交通出版社,1996.

[2]高冬光.橋位設計[M].北京:人民交通出版社,1998.

[3]王勖成,邵敏著有限單元法基本原理與數(shù)值方法[M].北京:清華大學出版社,1988.

[4]劉效堯,朱新實.預應力技術及材料設備[M].北京:人民交通出版社,1997.

[5]中交公路規(guī)劃設計院.JTG D63-2007公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[6]中交公路規(guī)劃設計院.JTG-D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7]中交公路規(guī)劃設計院.JTG D60-2004公路橋涵設計通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.