覃潛
摘要:文章以大化大元大橋?yàn)槔M(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)分析,參照橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定橋梁結(jié)構(gòu)與橋梁道路的安全等級(jí),設(shè)計(jì)出預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)和鋼管混凝土拱橋兩種橋梁設(shè)計(jì)方案,并分別從橋梁的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力計(jì)算、施工方案設(shè)計(jì)以及引橋預(yù)制小箱梁設(shè)計(jì)等方面對(duì)大元大橋設(shè)計(jì)方案進(jìn)行具體研究,整合兩種方案得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果表明,主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁時(shí),橋梁設(shè)計(jì)的性價(jià)比較高。該研究成果可為工程橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞:橋梁設(shè)計(jì);施工工藝;受力計(jì)算;大化大元大橋
0 引言
目前,我國修建了大量的橋梁工程。在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)時(shí),為確保橋梁設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性,為橋梁建設(shè)積累寶貴的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1-3],需要從特殊工程地質(zhì)情況、設(shè)計(jì)指標(biāo)、施工工藝、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等方面進(jìn)行最終方案的確定[4-6]。
大化大元大橋是國道G355線上的一座大橋[7],大橋建成后可以完善城市路網(wǎng),起到疏散交通,改善交通狀況,降低運(yùn)輸成本的效果[8-9]。本文對(duì)大化大元大橋的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究,包括橋梁的選型、受力情況、施工方案等方面,研究成果可為類似橋梁工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
1 工程概況
大化大元大橋項(xiàng)目位于廣西大化瑤族自治縣東南部,其連接大化繞城公路江南段與江北段,是大化繞城公路中重要的跨江橋梁。橋梁全長約為364.08 m,路面設(shè)計(jì)等級(jí)為二級(jí)公路。橋址距大化二橋約1.6 km、大化一橋約2.1 km、大化樞紐約3.5 km,距百龍灘樞紐約22.7 km。橋梁地理位置如圖1所示。
2 橋位概況
橋址區(qū)屬溶蝕準(zhǔn)平原地貌,高程一般在129~173 m。紅水河從西至東穿過勘察區(qū),河道寬約90~130 m,兩岸多為沖洪積階地,局部地段缺失,表層覆蓋為第四系沖洪積層,無滑坡風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定,適合建設(shè)橋梁。
場地地層主要由第四系沖洪積層(Qal+pl)、第四系殘積層(Qel)及二疊系下統(tǒng)(P1)基巖組成。橋位區(qū)可見溶溝、溶槽,未發(fā)現(xiàn)漏斗、落水洞等。根據(jù)鉆探揭露,實(shí)施鉆孔共5個(gè),均未遇溶洞,屬巖溶弱發(fā)育區(qū)。
3 橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
橋梁道路等級(jí)為公路二級(jí),標(biāo)準(zhǔn)路基寬度為12 m,設(shè)計(jì)速度為60 km/h,橋梁寬度為18 m,為標(biāo)準(zhǔn)橋面寬。設(shè)計(jì)汽車荷載為公路Ⅰ級(jí),設(shè)計(jì)洪水頻率為主橋1/100,通航等級(jí)為內(nèi)河Ⅳ級(jí)航道,通航孔通航凈寬為121 m,凈高為10 m,側(cè)高為6 m。抗震烈度為Ⅵ度,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年,橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。
4 設(shè)計(jì)方案
橋梁跨徑布置主要從沿江道路規(guī)劃、通航凈空、橋墩防撞和設(shè)計(jì)洪水位等方面進(jìn)行綜合考慮。橋位設(shè)計(jì)水位為163.43 m,橋位處水面標(biāo)高為127.34 m,橋梁與河流方向基本正交,橋位處河床穩(wěn)定,河面較寬,橋面距地面的距離在40 m以內(nèi),河道處于正常水位時(shí)水深較深,橋位處地基較好,石灰?guī)r巖石裸露。從橋型與地形的匹配性方面考慮,橋型宜選擇單跨過江設(shè)計(jì)方案。
4.1 設(shè)計(jì)方案一:預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)
4.1.1 總體設(shè)計(jì)
橋梁設(shè)計(jì)圖如圖2所示,橋梁全長364.08 m,主橋上構(gòu)采用80 m+145 m+80 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),引橋上構(gòu)為2×25 m預(yù)制小箱梁,下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用柱式臺(tái),主橋橋墩采用雙薄壁墩,引橋橋墩采用柱式墩,上述結(jié)構(gòu)均采用鉆孔灌注樁施工。橋面人行道寬度為2×1.75 m,防撞護(hù)欄為2×0.5 m,慢車道為2×3.25 m,機(jī)動(dòng)車道為4×3.5 m。
4.1.2 主橋80 m+145 m+80 m連續(xù)剛構(gòu)
主橋上部結(jié)構(gòu)采用C55單箱單室變高度箱梁,梁高為8.6 m,跨中梁高為3.4 m,底板厚為1.0 m到0.3 m拋物線變化,腹板厚度為0.7 m到0.55 m拋物線變化。箱梁頂板寬為18 m,底板寬為10 m,兩側(cè)懸臂長為4 m,采用三向預(yù)應(yīng)力體系。
主墩采用C40雙肢型薄壁墩,1 #、2 #墩高分別為28 m、31 m,雙肢間凈距為4.4 m,薄壁墩壁厚為1.8 m,寬為10 m;承臺(tái)采用C35混凝土,平面尺寸為順橋向13.3 m,橫橋向13.3 m,厚4 m;主墩基礎(chǔ)采用C35水下混凝土,基礎(chǔ)為直徑1.8 m鉆孔灌注樁,平面布置為3×3排,樁間距均為5 m。
4.1.3 引橋預(yù)制小箱梁
(1)引橋上部結(jié)構(gòu)
城南岸引橋?yàn)?×25 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋。
引橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制吊裝施工,統(tǒng)一選用25 m預(yù)制小箱梁。為改善行車條件,引橋采用結(jié)構(gòu)連續(xù)方案。引橋按整體式路基進(jìn)行設(shè)計(jì),總寬18 m,橫向共布置6片小箱梁。小箱梁梁高為1.50 m,接縫寬度為0.54 m。橋面采用C50防水混凝土現(xiàn)澆層和瀝青混凝土。
(2)引橋下部結(jié)構(gòu)
引橋下部構(gòu)造采用柱式墩和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。墩柱直徑為1.5 m,樁徑為1.8 m。
4.1.4 受力計(jì)算
主橋整體計(jì)算采用有限元程序Midas Civil 2017軟件建模計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1。
表1的計(jì)算結(jié)果表明,按全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力驗(yàn)算,驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。
4.1.5 施工方案
主橋上構(gòu)采用掛籃懸臂現(xiàn)澆,引橋采用預(yù)制拼裝施工。
4.2 設(shè)計(jì)方案二:鋼管混凝土拱橋
4.2.1 總體設(shè)計(jì)
橋梁總體布置如圖3所示,橋梁型式為:主橋上構(gòu)采用凈跨徑為246 m的中承式鋼管混凝土拱橋;北岸引橋上構(gòu)為25 m預(yù)制小箱梁,南岸引橋上構(gòu)為2×25 m預(yù)制小箱梁,橋梁全長351 m。
主橋橋面組成:2×1.75 m(人行道)+2×2.0 m(吊桿區(qū))+14.5 m(行車道)=22 m。
引橋橋面組成:2×1.75 m(人行道)+14.5 m(行車道)=18 m。
4.2.2 主橋設(shè)計(jì)
(1)拱肋
主橋長246 m,采用鋼管混凝土中承式拱橋,計(jì)算跨徑為253 m,拱軸系數(shù)m=1.2,拱肋為鋼管混凝土桁架式結(jié)構(gòu)。拱肋上、下弦桿為四根1 000 mm鋼管形成的桁式截面。主拱肋上、下弦管拱腳段采用1 000×24 mm鋼管,主拱肋上弦管拱頂段采用1 000×24 mm鋼管、下弦管拱頂段采用1 000×16 mm鋼管,均灌注混凝土。
(2)橫向聯(lián)系
采用X撐橫向聯(lián)拱肋,上下弦共設(shè)20道,橫聯(lián)鋼管直徑為700 mm,管壁厚為16 mm。
(3)吊桿
采用鋼絞線整束擠壓吊索,成品索為無粘結(jié)環(huán)氧1860級(jí)鋼絞線。吊桿順橋向布置,間距為12 m,全橋共布置36根吊桿。
(4)拱上立柱
全橋兩側(cè)各設(shè)一處拱上立柱、一處肋間橫梁,拱上立柱為鋼管焊接于主管上,管內(nèi)為C50混凝土。鋼管頂面焊接鋼板放置支座。肋間橫梁采用鋼管桁式結(jié)構(gòu),兩側(cè)與拱肋弦管、腹桿焊接。
(5)橋面系
橋面系采用鋼格構(gòu)體系,由鋼主次縱梁、鋼主次橫梁和鋼-混凝土組合橋面組成。主橫梁順橋向設(shè)置與吊桿、拱上立柱及交界墩相對(duì)應(yīng),標(biāo)準(zhǔn)間距為12 m,工字型截面,端部梁高為1.155 m,跨中梁高為1.6 m,底板厚20~28 mm,頂板厚16 mm;次橫梁順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為3 m,工字形截面,底板厚18 mm,頂板厚16 mm;縱梁共設(shè)5道,工字形截面,主縱梁底板厚20 mm,頂板厚16 mm,其他縱梁底板厚18 mm,頂板厚16 mm;橋面板利用在梁格上焊接10 mm厚鋼板作為底模,現(xiàn)澆15 cm厚鋼纖維混凝土。橋面采用7 cm厚AC-13C改性瀝青混凝土。
(6)過渡墩
過渡墩墩柱直徑為150 cm,主橋每側(cè)共3根,間距為6.5 m。過渡墩設(shè)置于拱座基礎(chǔ)上。
4.2.3 引橋預(yù)制小箱梁
北岸引橋?yàn)?5 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁橋,南岸引橋?yàn)椋?×25)m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋。引橋上、下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式同方案一。
4.2.4 受力計(jì)算
采用Midas Civil 2019軟件對(duì)主橋結(jié)構(gòu)、拱肋和腹桿等結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,邊界條件按實(shí)際進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果見表2。
從表2可知,各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。
4.2.5 施工方案
下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)安排在枯水期進(jìn)行施工。擴(kuò)大基礎(chǔ)采用明挖方法進(jìn)行施工,樁基可采用鉆孔灌注樁,根據(jù)地層巖性和地下水的具體情況采取適當(dāng)?shù)幕又ёo(hù)措施。拱肋安裝采用無支架纜索吊裝、斜拉扣掛的施工工藝、兩岸懸拼和跨中合龍的施工方法。引橋25 m小箱梁均采用預(yù)制拼裝施工。
5 結(jié)語
本文以大化大元大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,設(shè)計(jì)兩種方案,具體從橋梁的總體結(jié)構(gòu)、受力計(jì)算、施工方案以及引橋預(yù)制小箱梁等方面進(jìn)行設(shè)計(jì),得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:
(1)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)和鋼管混凝土拱橋兩種設(shè)計(jì)方案計(jì)算的受力和變形均能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。
(2)方案一具有施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成熟,占用施工場地小等優(yōu)勢,方案二具有拱結(jié)構(gòu)承載潛力大的優(yōu)勢,而主橋采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu),引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁時(shí),橋梁設(shè)計(jì)的性價(jià)比較高,說明方案一的應(yīng)用效果更佳。[KG-1mm][XCW.TIF,JZ]
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