克罗地亚亚得里亚公路上的2座大型混凝土拱桥.pdf

克 罗 地 亚 亚 得 里 亚 公 路 上 的2座 大 型 混 凝 土 拱 桥 编译尹双庆 (中铁大桥局集团桥科院有限公司, 湖北 武汉 430034) 摘要: 详细介绍克罗地亚亚得里亚公路上近年修建的 2座大型混凝土拱桥主跨 200 m 的马斯利尼察桥 及主跨 204 m 的克尔卡桥的结构特色、 结构要点、 结构分析、 桥梁设计及施工情况。 关键词: 公路桥;混凝土拱桥; 预应力混凝土梁;组合梁; 结构分析;桥梁设计 中图分类号: U448. 22文献标志码: A文章编号:1671- 7767(2010) 02- 0005- 04 收稿日期 编译者简介 尹双庆(), 男, 工程师,年毕业于武汉铁路桥梁学校铁道桥梁专业,年毕业于中南大学铁道桥梁专业( y q33y)。 1引言 2008 年底, 克罗地亚亚得里亚公路新建段萨格 勒布斯普利特杜布罗夫尼克建成通车。至此, 该公路已有 456 km 投入使用, 全部建成后, 全长将 达 580 km。亚得里亚公路是克罗地亚有史以来投 资最多、 规模最大的建设项目之一。从其道路编号 为 A1, 就不难看出这条连接克罗地亚南、 北的主要 道路干线的重要性。在国际道路网中, 这条公路的 欧洲道路综合编号为 E- 65、 E- 71, 因为它将承担 来自欧洲北部及中部的道路交通。这条公路穿过许 多珍贵的环境保护区, 因此在设计中, 必须高度重视 环境问题。这条公路上有 40 多座桥梁, 约 20 座隧 道。本文详细介绍其中 2 座大型混凝土拱桥马 斯利尼察(Malenica)桥及克尔卡(Krka)桥, 见图 1。 2马斯利尼察桥 在克罗地亚国内战争期间, 主要目标是摧毁马 斯利尼察海峡上的原有钢拱桥, 这给克罗地亚最重 要的南、 北道路连接线造成严重后果。战争结束后, 在进行了深入细致的调查后, 克罗地亚道路管理部 门决定在原有钢拱桥位置不远的地方修建 1 座新 桥, 即马斯利尼察混凝土拱桥, 借此改善道路连接 线。马斯利尼察桥的修建标志着亚得里亚公路建设 的开工, 同时, 也象征着克罗地亚修建大型混凝土拱 桥, 如著名的克尔克(Krk)桥的传统的延续。 2. 1结构要点 马斯利尼察桥在平面上为直线桥, 海平面上桥 高约 90 m。大桥的主体结构为混凝土拱, 跨径 200 m, 矢高 65 m, 矢跨比 f / L= 1/ 3. 08, 见图 2。拱肋 为双室箱形不变截面, 宽 9 m, 高 4 m, 固定在每侧 图 1建成后的 2 座大型混凝土拱桥 图 2马斯利尼察桥布置 桥台处。 上部构造为 12 跨预制预应力混凝土连续结构, 跨径布置为(26+ 1030+ 24) m, 总长 350 m。从 横截面上看, 上部构造包括 8 块预制预应力简支梁 通过现浇混凝土桥面板相互连接, 并在中间支点处 转换为连续梁。 拱上立柱及岸上桥墩高度为 3. 6 67. 9 m, 均 5 克罗地亚亚得里亚公路上的 2 座大型混凝土拱桥尹双庆 : 2010- 02- 10 :1972-19922000E mail: s 200 200ahoo. com. cn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由 2 根单独的立柱组成, 柱顶由横梁连接。所有的 立柱(桥墩)均为箱形截面, 除桥台处桥墩的外形尺 寸为 2. 5 m2. 5 m 外, 其余外部尺寸为 2. 0 m 2. 5 m。 将结构接缝减少到最少限度, 只在桥台处设有 伸缩缝。上部构造支承在纵向活动支座及固定支座 上, 其中纵向活动支座设在两桥台及最靠近桥台的 桥墩上; 固定支座设在靠近拱顶的两立柱上。所有 立柱(桥墩)均与上部构造固定, 上部构造两端的伸 缩缝可纵向移动! 200 mm, 这一移动量主要由抗震 设计要求控制。马斯利尼察桥按德国 DIN 标准设 计, 因大桥设计之时, 克罗地亚还没有现成的结构 规范。 2. 2耐久性参数 马斯利尼察桥的设计受到桥位严峻的海洋环境 及强风的影响。为避免钢筋密集, 增强结构耐久性, 与亚得里亚海岸地区过去修建的其它混凝土拱桥相 比, 该桥加大了所有结构尺寸。根据其所处的环境, 该桥看起来仍然比较纤细及优美。大桥在设计上采 用了低渗透性混凝土, 水泥为PC45 波特兰水泥, 掺 加了 30% 的矿渣, 可以增强海洋暴露环境里的结构 耐久性。拱肋、 立柱( 桥墩) 及桥面板采用 C30 混凝 土; 预制预应力混凝土上部构造采用 C40 混凝土; 基础采用 C20混凝土, 其水灰比低于 0. 40。除了最 靠近海水处拱肋基础的混凝土保护层厚度加大为 100 mm外, 桥梁其它所有构件的保护层厚度均为 50 mm。 2. 3桥梁施工 拱肋采用挂篮, 从两拱趾处对称悬臂施工, 这是 全桥施工中要求最严格的部分。拱肋每一节段长 5. 26 m, 重 55 t。在靠近桥台处的桥墩墩顶上, 用高 23 m 的辅助施工扣索塔架接高, 以便拱肋后续悬臂 施工。施工过程中, 拱肋由扣索塔架上部幅射出的 2 层前扣索支承, 塔架通过锚固在岩石中的后锚索 平衡。拱肋的施工因略去了拱顶部分横隔板而加快 了施工速度。拱轴线按超高程(拱顶最大预拱度达 137 mm)设计及施工, 这样, 在经历了混凝土长期徐 变与收缩后, 就能实现拱的设计线形。经过精心计 划, 并在 24 h 工作日的基础上, 拱肋的施工在 11 月 内完成。由于强风迫使施工停止了 2 个月, 实际施 工时间仅为 9个月。合龙前的马斯利尼察桥见图 3。 拱肋施工中, 在桥位附近制作了预制预应力混 凝土梁。在两半拱肋于拱顶处合龙后, 严格按设计 规定的顺序, 进行拱上立柱及上部构造的施工。立 图 3合龙前的马斯利尼察桥 柱采用爬模, 按高 5 m 的节段施工。立柱倒梯形下 方, 采用搭设支架施工, 上方的部分预应力部分, 在 采用架桥机安装了预制梁后, 与桥面板一起现浇。 在拱肋合龙前, 曾发生过一次较强地震, 震中距桥位 很近, 但没有造成桥梁结构损坏。 2. 4桥梁监测 在马斯利尼察桥上, 克罗地亚首次应用了成套 监测系统。该系统同时包括应力及腐蚀状况监测。 大桥施工期间, 就试用了该系统。预制预应力混凝 土梁的测量包括混凝土浇筑前后的初始参数, 恒载 及预应力引起的挠度、 应变及应力, 施加预应力后的 本征频率, 以及徐变、 收缩效应引起的非预应力钢筋 应力。在各个施工阶段, 记录了拱肋的挠度、 应变及 应力。上部构造施工前, 测量了拱肋的动力特性。 在大桥的关键部位, 总共布置了 92 个应变传感器, 其中混凝土中 18 个, 钢筋上 74 个。传感器均通过 电导线连接到一中央处理单元上, 该单元将通过多 通道测量用计算机, 收集及处理各种记录到的数据。 传感器可以测量大桥的应变、 温度及加速度, 还安装 了可以测量腐蚀发展的特殊传感器。 3克尔卡桥 亚得里亚公路在非常珍贵的环境保护区克 尔卡河国家公园入口附近跨越克尔卡河谷。克尔卡 桥位于克尔卡河口附近, 该处河水与海水混合在一 起, 属中等侵蚀性海洋环境。设计人员力图以新建 的克尔卡桥来为当地的环境锦上添花, 而对于跨越 河谷来说, 采用拱桥桥型似乎是一种符合逻辑的 选择。 3结构要点 克尔卡桥选用了跨径、 矢高 5的混凝 土拱桥, 矢跨比 fL=3, 见图。混凝土拱为 6世界桥梁 2010 年第 2 期 . 1 204 m2 m /1/ . 924 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 固端拱, 为双室箱形不变截面, 宽 10 m, 高 3 m。拱 肋及拱趾处的双立柱建在复合基础上。桥台为有平 行翼墙的标准封端形桥台, 所有立柱(桥墩)均为箱 形截面。某些特殊立柱(桥墩) 的截面, 通过稳定性 计算确定。 图 4克尔卡桥布置 3. 2组合上部构造 为了减轻结构重量, 从而减小桥位地震高发区 地震对大桥的影响, 同时, 也为了让大桥与当地的环 境和谐地融为一体, 克尔卡桥上部构造采用了非常 纤细的钢混凝土组合结构, 而不是经常使用的预 应力混凝土结构。大桥取得了突出的美学效果, 因 为避免了在其立柱(桥墩)顶部设置连接横梁。 钢- 混凝土组合结构为连续结构, 跨径布置为 (432+ 328+ 332+ 28+ 24) m, 总长 391. 2 m。从横截面上看, 该组合结构由钢格梁及混凝土 桥面板组成。钢格梁采用 S355 结构钢, 由2 片间距 为 7. 6 m 的主纵梁、 多片间距为 4. 0 m 的强劲横梁 及 2 片边梁组成。 主纵梁为箱形截面, 其顶板为斜面, 与设计的行 车路面 2. 5% 的横坡一致。主纵梁内侧腹板高 1 730 mm, 外侧腹板高 1 700 mm, 沿全桥总长, 腹 板高度不变。主纵梁腹板间距为 1 200 mm, 顶板宽 为 1 300 mm, 沿全桥总长, 顶板宽度不变。顶板厚 20 70 mm, 底板厚 30 80 mm, 顶、 底板厚度变化 均设置在箱内。腹板厚 16 20 mm。在跨中采用 这些厚度的最小值, 在支点附近采用最大值。 横梁上缘的定位与主纵梁上缘齐平, 与行车路 面横坡一致。横梁焊接成 I 字形, 由 400 mm20 mm的上翼缘、 厚 25 mm 的下翼缘组成。跨中横梁 宽 400 mm, 支点处宽 500 mm。横梁腹板为变高 度, 变化范围为 1 685 1 765 mm。跨中腹板厚 14 mm, 支点处腹板厚 20 mm。横梁悬臂长6. 52 m, 悬 臂高度变化为主纵梁外侧腹板处 1 700 mm, 边梁外 侧处为 445 mm。悬臂上翼缘为 400 mm20 mm, 其腹板高 400 1 655 mm。跨中腹板厚 14 mm, 支 点处厚 20 mm。悬臂下翼缘厚 25 mm, 其宽度变化 为跨中主纵梁处3, 边梁处 3, 支点主 纵梁处 5, 边梁处。 边梁由 3的上、 下翼缘及 mm12 mm 的腹板组成。 混凝土桥面板宽 22. 56 mm, 采用强度为 C45、 C55混凝土。桥面板厚 250 mm, 厚度均匀不变。桥 面板的主要承载方向为纵向。 3. 3结构分析 除风荷载按英国 BS 5400 第 2 部分计算, 地震 荷载按欧洲 Eurocode 8 规范评定外, 克尔卡桥的所 有荷载均按德国桥梁标准 DIN 1072 确定。大桥在 桥轴方向选用非活动支座, 这在概念上是很有趣的。 从结构角度看, 将这种支座布置在靠近拱顶的短立 柱上, 似乎合乎逻辑, 因为拱肋比起任何 1 根立柱刚 性更大, 拱肋抵抗纵向水平力的能力也因此最大。 尽管会因地震出现某种问题, 但几乎不可能设计一 种实质上能承受桥轴方向整个上部构造水平地震荷 载的结构支座, 此外, 布置有非活动支座的短立柱也 会相应地出现高度超应力。因此, 决定在拱上短立 柱上布置特殊的纵向固定支座, 在正常工作条件下, 这些支座可承受高达 1 000 kN 的纵向水平力, 在大 地震发生时, 一旦超出此限值, 可通过屈服支座的特 殊防护构件, 可控地将纵向水平力传递到纵向活动 支座上。其它支座均为标准的盆式支座, 在较短的 刚性桥墩及桥台上为纵向活动支座, 在较高的柔性 立柱上为固定支座。 在正常工作条件下, 在纵向取得刚性结构体系, 同时, 在地震发生时, 获得足够的安全, 其中大部分 地震荷载由设在两桥台上的粘性阻尼装置吸收, 一 部分地震荷载则由较高的柔性立柱吸收。 抗震设计按加速度为 0. 2g 的地震反应谱设计, 地基土层类别为 A 类。在假定拱上立柱纵向固定 支座屈服, 没有设置阻尼器的条件下, 进行了大桥的 初步动力分析。计算了 30 个振型, 得到固有频率为 0. 301(第 1 阶振型) 4. 224 Hz( 第 30 阶振型), 总 有效质量为 22 910 t。地震反应采用完全二次组合 (Complete Quadratic Combination)法, 通过模态叠 加进行计算。拱肋的特征系数定义为 q= 1. 2, 上部 构造及支座的定义为 q= 1. 0, 有限延性立柱的定义 为 q= 1. 5。在这些假设条件下, 大桥在桥轴方向变 成非常柔的结构, 从而在设计的地震发生时, 可以产 生 340 mm 的较大纵向水平移动。这一移动量对设 有纵向固定支座的立柱将会产生不利影响, 因此, 在 上部构造两端各安装了 2 个 2 000 kN 的粘性阻尼 器, 为结构提供阻尼, 并将地震引起的纵向水平力传 递到大型桥台上。包含了阻尼器的非线性动力分析 表明地震荷载下的纵向水平移动量减少至 5, 7 克罗地亚亚得里亚公路上的 2 座大型混凝土拱桥尹双庆 4 0 mm00 mm 00 mm400 mm 00 mm20 mm4000 mm 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 验证了设计的合理性。 3. 4桥梁施工 在克尔卡桥第 1 阶段的施工中, 浇筑了各种基 础及拱趾的混凝土。采用爬模按每 5 m 1 个节段进 行了岸上桥墩的施工, 并进行了两桥台的施工。 随后, 采用自由悬臂法, 利用挂篮按每 5. 25 m 1 个节段, 从每一侧桥台对称地进行拱肋施工, 见 图 5。 图 5克尔卡桥拱肋的自由悬臂施工 拱趾处立柱上用辅助施工扣索塔架接高, 以便 于拱肋后续悬臂施工。施工过程中, 拱肋由扣索塔 架的前扣索支承, 塔架通过锚固在岩石中的后锚索 平衡。 在第 1组 12 个拱肋节段施工过程中, 在桥台后 开始拼装上部构造的钢格梁。钢格梁构件单元用汽 车运输到工地, 在工地焊接成完整的梁。在接着进 行剩下的拱肋节段前, 从两桥台开始架设上部构造, 至拱趾处立柱止, 以方便扣索塔架扣索张拉所需要 的设备的运输。上部构造的架设采用顶推法架设, 在一些桥墩( 立柱)顶上设置特殊滑动装置及借助轻 型的钢导梁, 以减小架设施工中产生的应力。顶推 架设完成后, 将钢格梁落顶安放在永久结构支座上。 在接下来的施工阶段, 铺设钢格梁预制混凝土桥面 板, 先铺设中央主纵梁, 后两侧边梁, 见图 6。 有钢筋搭接的现浇混凝土接缝见图 7。预制混 凝土桥面板的纵向及横向接缝现浇混凝土至剪力连 接件顶面以上, 至此, 两桥台间、 拱趾立柱上的组合 上部构造的施工完成。 拱肋施工完成后, 拆除临时扣索, 按严格的施工 顺序, 进行拱上立柱的混凝土施工。在最后的施 图 6铺设中央主纵梁预制混凝土桥面板 图 7有钢筋搭接的现浇混凝土接缝 工阶段, 采用顶推法, 从西岸侧开始架设拱上部分的 钢格梁, 将钢格梁落顶安放在永久结构支座上。采 用前面所述步骤, 铺设预制混凝土桥面板, 并现浇混 凝土接缝。 4结语 马斯利尼察桥作为亚得里亚公路上第 1 座大型 桥梁结构, 于 1993 年国内战争期间开始修建, 1997 年建成, 该桥成为克罗地亚地标, 是胜利与独立的象 征。克尔卡桥跨越克尔卡河谷, 于 2003 年开始修 建, 2005 年建成, 2座新建大桥上均安装了长期监测 应力、 应变及腐蚀发展情况的传感器, 用以实时监测 结构的性能及耐久性, 方便将来维修。 参考文献: 1 Jure Radic, Zlatkoavor,Ana Mandic. T wo Notable Arch Bridges on The Croatian Adriatic H ighway J . Structural Engineering International,2010,20( 1) : 36 - 40. 8世界桥梁 2010 年第 2 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m