钢-混凝土组合结构桥梁的设计研究及应用.pdf

钢一混凝土组合结构桥梁的 设计研究及应用 S t u d y o n De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f Br i d g e wi t h S t e e l Co n c r e t e Co mb i n e d S t r u c t u r e 王用中 ， 童继生 2 陈宜言 。 1 、 河南省交通规划勘察设计院有限公司 郑州 4 5 0 0 5 2 ； 2 、 上海外经控股集团有限公司 上海2 0 0 0 3 2 ； 3 、 深圳市市政设计研究院有限公司深圳5 1 8 0 2 9 摘 要 ： 伊朗德黑兰北部高速 B R 一 0 6 特大桥 ，跨度较大 ，又处 9 度地震 区，为此，设计过程 中对其桥型结合抗震性能 作了较深入研究 。最后择定采用 8 3 m + 1 5 3 m + 8 3 m三跨连续波形钢腹板预应力混凝土箱型连续梁 ，同时采取有效 的减 隔震措施 ，取得了良好的效果。 关键词： 钢混凝土 组合结构桥梁上部构造 设计抗振分析 中图分类号： U 4 4 8 2 1 + 6 文献标识码 B 【 文章编号】1 0 0 4 1 o 0 l ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 6 1 2 0 4 1 桥梁概况 伊朗德黑兰北部高速公路 ， 是连接首都德黑兰至里海 南岸滨海城市恰卢斯的一条主要交通干线。其中的 B R 一 0 6 特大桥 ， 位于伊朗德黑兰北部山区， 于塔隆河谷与桑干河谷 交汇处的上游跨越桑干河谷。桑干河谷深砌 ， 坡岸陡立 ， 谷 底到桥面超过 8 O m 。桥址位于构造盆地边缘附近， 两岸地 层均以凝灰质砂岩为主， 岩体完整 ， 岩质坚硬 ， 承载力高 ， 岩 体有强大的山体作后盾， 较为稳定。 地下水为基岩构造裂隙 水 ， 以地表雪水补给为主。桥址处年平均气温 1 8 c IC 、 极端 最高气温 4 1 c c 、极端最低气温 - 2 5 o C 、年平均 降水量 2 1 0 m m 、 最大风 力 6 级、 风速 2 2 m s 。 桥址处地震活动频繁， 设计地震烈度 9 度 ， 属高烈度地震区。 B R - 0 6桥跨径设置为 8 3 m +1 5 3 m + 8 3 m，横向采用双 幅布置 ， 单幅桥宽 1 3 1 m 。大桥大部分位于直线段 ， 小部分 进入缓和曲线。 为适应河道需要 ， 两幅墩台略有错幅。 本桥 所采用的技术标准如下 ： ( a ) 公路等级 ： 高速公路 ： ( b ) 车道数 ： 双向四车道 ： ( C )桥面宽度 ： 2 mx 1 3 1 0 m： ( d ) 设计行车速度 ： 8 0 k m h ； ( e ) 设计荷载 ： 采用伊 朗桥梁设计荷载规范的标准 ； ( f ) 地震 ： 设计抗震烈度 9 度 ： 作者简介： 王用( 1 9 3 6 一 ) ， 男， 中国工程设计大师。 作者简介： 童继生( 1 9 6 2 一 ) ， 男， 博士， 高级工程师， 公司董事长。 联 系地 址 ： 上海市小木桥路 6 8 1号( 2 0 0 0 3 2 ) 。 作者简介： 陈宣言( 1 9 6 0 一 ) ， 男， 教授级高工， 院长。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 5 1 5 6 1 2 l 2 o 1 2 6 l l, n ,m , C m ,- n m c a o n ( g ) 桥梁结构设计 ：荷载系数和设计容许 应力根 据 A A S H T O规范确定。 B R - 0 6 桥上部结构为波形钢腹板预应力混凝土箱形连 续梁。 根部梁高 8 8 m ， 高跨比 1 1 7 3 8 6 ； 跨中梁高 3 5 m ， 高 跨比 1 4 3 7 1 4 ， 梁高选择常规 ， 梁高及底板厚均按 1 8 次抛 物线变化。 考虑钢腹板 的波长及架设条件 ， 施 工悬臂浇注划分为 1 6 个节段 ， 编号为 0 1 5 ( 标准悬浇段最大质量为 1 7 0 t ) 。 为 提高主梁的整体刚度 ， 根据以往的经验及 空间分析 ， 在边跨 设置 3 道横 隔( 不计端横隔及根部横隔 ) ， 中跨设置 6 道横 隔( 不计根部横隔 ) ， 横隔厚 0 5 m 。 桥型设置如图 1 。墩身采用空心薄壁墩 ， 顺桥向墩顶宽 6 m ，至墩底按 5 O ： 1 的斜率放坡延伸至墩底 ，横桥 向宽度 8 4 m ( 1 墩 ) 和 9 2 m ( 2 墩 ) ， 壁厚 O 7 m ， 墩顶 1 5范围为 实心段。 1 桥墩处设置扩大基础 ， 在扩大基础底设置 了抗拉 锚杆。 2 桥墩采用灌注桩基础( 灌注桩成孔采用挖孔或是钻 孔 ) 。 图 1 桥型布置 每幅桥在 2 墩设置 2 个固定支座 ， 在 1 号墩设置 2 个 单向活动支座 ，在桥台上设置 2 个单向活动支座 ( 纵向活 动， 横向有一定承载 力) 。 支座的曲后刚度、 位移量及支座固 定销的剪断值按抗震分析结果。本桥采用了双球面摩擦摆 减隔震支座。 单幅桥每个桥台处还安装 4 个阻尼器，全桥共计采用 1 6 个阻尼器。两侧桥台处均采用大位移模数式桥梁伸缩装 置 ， 位移量 5 6 0 m m 。主桥采 用厚 1 0 0 m m的沥青混凝土铺 装 ， 下层为厚 6 0 m m的粗粒式沥青混凝土， 上层为厚 4 O m m 的细料式沥青混凝土。 2 波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥上部构造设 计 波形钢腹板 P C 箱梁桥这一独特的组合结构桥梁有着 比传统 P C 箱梁桥更好的力学性能和优点 ： ( a )箱梁 自重减轻 1 0 - 3 0 ， 从而减少 了恒载 ， 降低了 地震力， 减小 了恒载内力， 上、 下部工程造价均有降低 ； ( b ) 波形钢腹板 的折绉效应 ， 一是降低 了腹板抗压 刚 度 ， 从而提高 了顶底板预应力效率 ， 二是加大了腹板抗屈曲 刚度 ， 节省了钢衬 ， 提高 了腹板抗剪能力； ( C ) 充分发挥各种材料的性能 ： 混凝土抗弯、 波形钢腹 板抗剪， 截面回转半径最大 ， 结构受力更加合理 ； ( d ) 部分体外索的应用有利于结构整体承载 力调整提 升与病害处理 ， 从这个方面讲 ， 可提高结构耐久性 ； ( e ) 造型美观、 施工方便 ， 提高了建设速度等( 图 2 ) 。 图 2 波形 钢腹板箱梁示意 波形钢腹板 P C 桥源于法国， 盛行于日本 ， 2 1 世纪始在 我 国得到推广。其国内外典型桥梁记录见表 1 、 表 2 。 表 1 国外具有代表性的波形钢腹板预 应力混凝土箱梁桥 桥梁名 施工方法 构造形式 桥长 跨径布置m 竣 工年 份 C o g n a c 桥( 法国) 满堂支架 3 跨连续 2 -2 5 3 1 + 4 3 + 3 1 1 9 8 6 A 桥 ( 德国 ： 悬臂施工 3 跨连续 8 1 5 + 1 1 5 + 8 1 -4 矢作川桥( 东) 悬臂施工 4 跨预应力斜拉桥 8 2 0 0 1 7 3 4 + 2 x 2 3 5 0 + 1 7 3 4 2 0 0 5 日见梦大桥 悬臂施工 3 跨部分斜拉桥 3 6 5 9 1 8 + 1 8 0 + 9 1 8 2 0 0 3 丰田巴川桥( 下) 悬臂施工 5 跨预应力连续梁 6 4 0 0 8 4 9 + 1 5 5 + 1 6 4 + 1 5 2 + 8 1 9 施工中 伊朗B R - 0 6 桥 悬臂施工 3 跨预应力连续梁 3 2 5 0 8 3 + 1 5 3 + 8 3 施工中 波形钢腹板预应力混凝土箱型连 续梁的设计计算类 似一般预应力混凝土箱型连续梁的设计计算。本设计依据 规范 S T H O H计算。 2 1 最不利强度极 限验算 截面上缘最大压应 力为 1 5 6 0 M P a ， 截面下缘最大压应 表 2我国在建、 已建的波形钢腹板 P C桥 桥名 桥跨 m 桥面宽 m 箱式 梁高 m 工程进展 鄄城黄河公路大桥 7 0 + 1 1 l 2 O + 7 0 2 1 3 5 单箱单室 3 5 7 已建成 南京长江四桥跨大堤桥 5 6 + 9 6 + 5 6 2 xl 6 单箱单室 3 0 6 5 在建 台 中 生 活 圈4 号 线 大 里 溪 桥 9 9 + 3 x 1 4 5 + 9 9 2 5 8 单箱三室 4 0 8 5 ff ll 平铁大桥 8 0 + 1 3 O + 8 0 2 x 2 7 双单箱室 3 5 7 0 在建 桃花峪黄河大桥 7 5 + 1 3 5 + 7 5 2 1 6 5 5 单箱单室 3 5 7 5 在建 力 为 1 7 7 6 M P a ，均 小 于 A A S H T O L R F T规 范 规 定 的 O 6 0 f = 2 4 0 M P a ； 主梁 最大压 应力为 1 6 9 6 M P a ， 小 于 A A S H T O L R F T 规范规定 0 4 5 f = 1 8 0 M P a 。以上均满足规范要求。 主梁在最不 利使用极 限状 态下未出现拉应力 ，满足 A A S H T O规范的要求。 2 2 刚度验算 表 3 刚度 验算结果 I 部 位 最大 m m 最小 n u n 合 计 值 m m 规范限 值 m m 验 算结 果 【 边跨跨中 2 7 5 4 4 - 2 3 3 3 8 5 0 8 8 2 1 0 o o = 8 3 0 K 中跨跨中 1 8 9 9 9 7 1 1 7 9 7 上 1 0 o 0 1 5 3 O K 经验算 ( 表 3 ) ， 主梁在活载 ( 汽车 +人群 ) 作 用下的位 移值( 考虑剪切变形的影响 ) 均满足规范刚度要求。 2 3 波形钢腹板设计计算 波形钢腹板 P C 梁桥的剪力全部由波形钢腹板承担( 考 虑预应力筋竖直分力的作用 ) ， 且剪应力沿板高度方向呈等 值分布 ， 钢腹板 中的应力状态一般视为纯剪 ， 因此波形钢腹 板 P C 箱梁桥的抗剪验算。计算包括以下四项校核内容 ： 即 抗剪强度 、局部屈 曲强度、整体屈 曲强度以及组合屈 曲强 度 ， 见图 3 。剪力键计算参考了 日本相关规范进行计算( 图 4) 。 2 4横向计算 计算采用 M i d a s C i v i l 程序进行 ， 箱梁横向框架计算取 跨 中截面进行 ，跨中截面离散为 6 4 个单元 ， 6 4 个节点 ， 支 承形式采用简支形式 ， 横向框架计算模型如 图 5 。 经计算 ： 桥 面板上缘最大压应力为 4 9 M P a ， 下缘最大 压 应 力 为 5 5 M P a ，均 小 于 A A S H T O 规 范 规 定 的 0 4 5 f =1 8 0 M P a ， 满足规范要求 ； 桥 面板上缘没有出现拉应力 ， 桥面板下缘悬臂处最大拉应力为 一 0 1 1 M P a ，小于 A A S H T O 规范规定 的 一 1 5 8 M P a ， 满足 MS H T O 规范要求。 2 5 波形钢腹板与顶底的横向连接计算 采用波形钢腹板后 ， 应对作用于连接部与桥轴成直角 方向的角隅弯矩进行验算。 根据设计要求 ， 荷载内力与抗力 验算分析模型如图 6 。 横 向连接计算分别进行 了以下验算 ： ( a ) 强度极限状态下安全性检算 ； ( b ) 腹板与顶板双 P B L 键连接 ； ( C ) 腹板与底板 S - P B L +栓钉连接。 l I t l l i r第 3 4 卷 第6 期j 6 1 3 蓥 萄 棵 桥跨方向长厦， 瑚 【 a 】 波形钢腹板计算剪应力验算 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 02 0 0 2 2 02 4 0 2 6 02 8 0 3 0 03 2 0 3 4 0 桥跨方向长度 m 波形钢腹板极限剪应力验算 桥跨方向长度 m ( c )波形钢腹板局部失稳 图 3 上部结构静力验算及计算 在设计荷载和极限荷载作用下以上三项计算结果均满 足设计要求。 6 l 4 2 0 1 2 6 ： 妻 -I _ 4- 3 ； 2 喜 ： 二 三 【 a ) 顶板连接计算水平剪力验算 ( d ) 开孔板剪切抗力验算 图 4 计算成果 图5横向计算模型 设计截面力 胁 肌。 胁 肺 。 ：琅板 连接 处截 面力M u ：腻板 连援 处截 面力 图 6 横 向连接计算模 型 3 波形钢腹板 P C ； 连续梁桥抗震计算 B R 一 0 6 桥选择波形钢腹板预应 力混凝土连续梁 ，作为 其上部构造的最大理 由为抗震性能优于惯用的预应力混凝 土箱型连续梁 。为此 ，于方案比选阶段设计中，对 8 0 m + 1 5 0 m + 8 3 m预应力混凝土连续 梁与 8 3 m +1 5 3 m + 8 3 m 波形钢腹板预应力混凝土连续梁 ，在采取 同样减隔震措施 条件下 ， 作 了对比计算， 用实例说明了波形钢腹板预应力混 凝土箱梁的抗震优越性。 B R - 0 6 特大桥位 于 9度地震 区， 根据 伊朗公路 、 铁路 桥 梁 抗 震设 计 标 准 ， 其设 计 地 震 波 加 速 度 动 峰 值 为 m 舶 m m m m m 肿 帆 呲 m 帆 2 9 6 3 3 6 9 2 圣 通 糯 柏 舳 钟 醣 柏 0 6 4 2 甚 1 ， R 离 O 3 5 g ； 参照美国规范及 中国规范 ， 9 度地震区设计地震波及 速度动峰值为 0 4 0 g 。 故此次抗震分析计算 中选 用了 7 条人 工合成地震波 ， 其地震动加速度峰值均在 0 4 0 g附近 ， 我们 将这 7 条地震波作为 B R O 6 特大桥的 E 1 水准设计加速度 时程( 简称设计地震波 ) 。时程分析结果取 7 组地震波作 用 包络值 的平均值。 在设计地震波作用下 ， 结构体系完好处于 弹性工作阶段 ， 上 、 下部结构满足强度设计要求。 伊朗地震局提供了三次实测强震记录 ，其地震加速度 动峰值横 波为 0 4 8 g 0 7 9 6 g ， 纵波为 0 5 0 5 g 0 8 1 6 g 。其值 均远大于 9度地震 区伊朗规范规定的 O 3 5 g和 中国、美 国 规范的 0 4 0 g 。 为此， 将伊 朗提供的地震波视作 E 2 水准设计 依据作结构 的延性设计验算 ，结构在此情况下不会完全破 坏 ， 处于弹塑性工作阶段 ， 经过适 当维修后 ， 结构可投入正 常使用。现取地震局提供 的 3组地震波对结构作用的最大 值( 包络 值 ) ，对 结构 极 限承载 力及 位移 进 行验 算 ， 见 图 7 。 1 0 5 4 - I 纵向加速度时间( 1 9 7 7 年) 1 0 8 4 一 l 纵向加速度时程( 1 9 7 8 年) 1 3 8 2 1 纵向加速度时程( 1 9 9 0 年) 曩 i m +4 - 1 W _+ j 地遭虐 ( I 7 7 年) 10 s I 横向加速度时程 l 9 7 8 年) 1 3 8 2 _ 1 横向加速度时程( m9 o 9 图 7 3组典 型的地震波 3 1 抗震分析计算模型 计算采 用 M i d a s C i v i l 程序进行结构 动力特性及 抗震 性能分析。 全桥均采用三维梁单元建立空间模型 ， 全桥上部 结构共划分为 8 4 个单元 ， 1 桥墩划分为 1 2 个单元 ， 2 桥墩 共划分为 1 9个单元。 计算模型对双曲面球形减隔震支座 的滞回耗能和 自动 恢复功能 ， 活动支座的摩擦耗能以及固定销剪断后的效应 ， 阻尼器的阻尼耗能作用均进行了模拟。1 桥墩 、 J 方向的 转动考虑了地基变形作用 ； 2 桥墩考虑了桩土共同作 用( 图 8) 。 图 8 抗震分析计 算模 型 作为减隔震措施 ， 本桥采 用了摩擦摆支座。摩擦摆隔 震支座利用上下座板与中座板 间的滑动摩擦来耗散能量 ， 来增大结构阻尼( 表 4) 。 表 4 BR 一 0 6特大桥 的抗震支座 设置情 况 支座 固定 单向活动 单向活动支座 单向活动支座 类型 支座 支座( 低墩) ( 桥台、 里海) ( 桥台、 德黑兰) 最大竖向荷载标准值， l【 N 3 5 o o O 3 5 O o 0 40 o 0 4 O o 0 支座纵向 转角选用值h m l 0 0 2 士O O 2 O O 2 O o 2 动、 静摩擦系数 0 O 2 0 0 3 O 0 2 O O 3 O O 2 O O 3 0 O 2 O O 3 曲率半径 ， m 5 5 2 2 由表知 ： 因波形钢腹板 P C 箱梁较一般 P C箱梁质量轻 2 5 ， 而抗弯刚度低 1 0 ， 故其一阶自振频率略高于一般 P C 箱梁。 3 。 2 主梁位移( 表 5) 表 5主梁位移 ( o m ) 纵桥向 横桥向 纵桥向允许伸缩量 2 7 7 7 2 8 5 6 3 3 支座位移( 表 6) 表 6支座位移 位置 纵桥向 m m 横桥向 m m 纵桥向允许位移 m m 横桥向允许位移 m m 桥台 2 7 5 6 6 5 2 5 3 0 0 6 7 0 1 桥墩 3 1 O -4 6 3 5 3 3 5 0 6 7 O 2 桥墩 4 4 8 5 6 6 4 0 4 5 0 6 7 0 3 桥台 2 7 5 4 6 5 5 6 3 0 0 6 7 0 3 4 纵向阻尼器计算结果( 表 7) 表 7纵向阻尼器计算结果 1 0 8 4 1 纵波作用下 位置 工况 P C连续梁 波形钢腹板 P c连续梁 最大值 3 5 5 5 2 6 3 1 位移 mm 最小值 2 7 1 1 2 3 7 5 阻尼力 k N 30 1 7 l 9 3 7 3 5 1 0 8 4 1地震波作用墩底截面弯矩( 表 8 ) 表8 1 0 8 4 1 地震波作用墩底截面弯矩 桥墩台 1 0 8 4 1 纵波作用下 1 0 8 4 1 横波作用下 编号 位置 工况 P c 连 续 粱 波 形 钢 腹 板P C 连 续粱 P c 连 续 梁 波 形 钢 腹 板P C 连 续梁 1 墩底 Q k N 3 8 0 8 O 3 2 5 8 O 2 8 2 5 O 2 0 2 2 0 桥 墩 截 面 M ， k N m 8 8 0l o 0 7 6 3 0 H0 0 5 0 2 8 0 o 4 6 3l 0 o # 墩 底 Q N 3 3 4 8 O 3 1 1 5 O 3 67 3 0 2 7 4 l O 桥墩 截面 M ， l【 N n l 1 4 9 1 0 H D 0 1 3 4 9O 0 0 l 2 5 l O o 0 l l 2 4 O o 0 4 结语 随着国家钢铁业 的发展和快速化、 工厂化 、 装配化建设 需求的日益强烈， 发展钢一混凝土组合梁桥势在必行， 而波 形钢腹板 P C桥为当代最优 良的钢一混凝土组合梁桥 ， 理应 大力发展。 我们在伊 朗 B R - 0 6 桥作 了开启式的尝试 ， 其力学 上的优越性 已如本文所述 ， 其经济上优越性亦较惯用的 P C 箱梁桥造价降低 8 N 1 5 。 建 筑 施 工第 3 4 卷第 6 期 I 6 l 5