某全整体无缝桥关键设计要点.pdf

桥梁隧道:./.某全整体无缝桥关键设计要点收稿日期:作者简介:林 松()男高级工程师从事桥梁设计工作林 松(中国华西工程设计建设有限公司四川 成都)摘 要:总结分析了某全整体无缝桥关键设计要点对关键构造细节、关键有限元模拟技术、关键施工环节、主要经济指标进行了深入剖析并与普通连续梁桥进行比较相关技术和经验能应用到后期同类桥梁设计中有助于该类桥梁的推广应用关键词:全整体式无缝桥构造设计有限元经济指标中图分类号:文献标识码:文章编号:()我国是桥梁大国据 年交通运输部统计资料全国公路桥梁有.万座其中中小桥.万座占.绝大多数桥梁在运营多年后都暴露出支座和伸缩缝的病害给养护管理部门造成了很大的困扰 桥梁设计中少设或不设支座和伸缩缝是当代设计师应坚持的理念通常无缝桥分为全整体、半整体和延伸桥面板 种形式全整体式无缝桥在全桥既无伸缩缝又无支座是无缝桥中整体性能最好的一种形式 由于其还具有抗震性能强、耐久性好、维护成本低、行车舒适度好、全寿命周期经济指标好等优点符合当今桥梁设计理念在中小桥设计中逐步受到青睐 总体设计该桥上跨城市道路桥位周边是公园和学校对桥梁设计降低噪声污染提出了极高的要求也正是由于对噪声的要求导致最初设计的三跨连续梁方案在后期被否决(如图 所示)9 0003 0003 0003 000 120 150 150 120道路限界1 700150150600 150（a）立面图（b）断面图图 1原方案桥型立面及断面图单位：cm基于降低噪声污染要求综合考虑桥梁经济性设计提出了采用全整体式无缝桥方案 该桥分左、右幅设计单幅四车道桥宽为.维持跨径布置 和桥长 与原方案一致取消两头伸缩缝及支座设置采用墩梁固结将两头桥头搭板设置为 型渐变式搭板为了减少下部结构对上部结构的纵向约束使得上部结构主梁仍然能按照预应力 类构件设计设计时将纵桥向双排桩改成单排桩(桥台桩基由双排直径.变成单排直径.桥墩桩基由双排直径.变成单排直径.)并将原来的方墩改成矩形扁墩(.方墩变成.矩形扁墩)为了使得中横梁受力更加合理设计增大了墩柱横向中心间距避免在横梁中采用横向预应力简化中横梁受力 最终桥型立面、断面如图 所示在同类结构中桥长属国内最长图 2最终桥型立面及断面图（a）立面图（b）断面图9 0003 0003 0003 000 150道路限界120180120180 150 180 1801 700800 180120180墩梁固结单位：cm上部结构与原方案普通连续梁一致采用单箱三室现浇箱梁断面梁高为.箱梁悬臂宽.端部厚.根部厚.箱梁采用斜腹板斜率为 底板宽.跨中断面顶板厚度为.底板厚度为.腹板厚度为.在支点位置顶、底、腹板分别加厚至.顺桥向采用 线性渐变过渡两侧桥台与主梁固结桥台采用板式桥台壁厚为.每个桥台下设置 根直径.钻孔灌注桩桥墩采用矩形双柱墩顺桥向厚为.横桥向宽.每根墩柱下面设置 根直径为.钻孔灌注桩墩柱与桩基之间通过承台进行连接 有限元模型建立及主要结果正确合理的有限元模型建立是该桥设计的关键环节设计时有限元模型采用 建立各杆件单元均采用梁单元进行模拟(见图)与传统连续箱梁桥不同的是全整体式无缝桥上、下部整体受力模型建立时需要模拟主梁、墩柱和桩基同时桩基需考虑桩土的共同作用与传统设支座连续梁区别在于整体升降温及台背的填土荷载一般不会对主梁产生内力但整体式无缝桥由于墩梁固结梁端与桥台固结整体升降温及台后填土工况会对主梁内力产生较大影响设计时需要整体考虑图 示出了主梁正应力、主应力、位移及自振频率结果桩端嵌岩按照固定边界考虑台背填土按照主动土 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 .压力进行施加桩周土模拟为只受压弹簧弹簧侧向刚度 计算如下:按照温克尔假定:则:其中 为深度 处土的侧向弹簧刚度为深度 处土的计算面积为深度 处基桩计算宽度为深度 处土层的厚度为深度 处的地基系数 为地基土比例系数 为土的计算深度图 3有限元模型图20-2-4-6-80102030405060708090纵桥向坐标/m应力/MPa0 号台1 号墩2 号墩3 号台顶缘应力；底缘应力容许拉应力值 1.855 MPaMIDAS/CivilPOST-PROCESSORVIBRATION MODE频率（CYCLE/SEC）2.745 414自振周期/s0.364 244MPM/%DX=58.290 126DY=0.000 000DZ=0.006 299RX=0.000 000RY=0.318 121RZ=0.000 0002.01.51.00.50.0-0.5-1.00102030405060708090纵桥向坐标/m0 号台1 号墩2 号墩3 号台主拉应力容许拉应力值 1.325 MPa应力/MPa纵桥向坐标/m01020304050607080900 号台1 号墩2 号墩3 号台顶缘应力；底缘应力容许拉应力值-16.2 MPa50-5-10-15-20应力/MPa0102030405060708090纵桥向坐标/m0 号台1 号墩2 号墩3 号台短期效应；长期效应0-5-10-15-20-25-30位移/mmMIDAS/CivilPOST-PROCESSORVIBRATION MODE频率(CYCLE/SEC)3.446 575自振周期/s0.290 143MPM/%DX=0.000 000DY=55.566 196DZ=0.000 000RX=17.658 214RY=0.000 000RZ=0.143 575MIDAS/CivilPOST-PROCESSORVIBRATION MODE频率(CYCLE/SEC)4.014 814自振周期/s0.249 078MPM/%DX=0.007 469DY=0.000 000DZ=0.346 496RX=0.000 000RY=0.000 765RZ=0.000 000MIDAS/CivilPOST-PROCESSORVIBRATION MODE频率(CYCLE/SEC)4.945 121自振周期/s0.202 220MPM/%DX=3.552 110DY=0.000 000DZ=2.881 382RX=0.000 000RY=24.987 522RZ=0.000 000（a）第一阶自振频率 f=2.75 Hz（面内）（b）第二阶自振频率 f=3.45 Hz（面外）（c）第三阶自振频率 f=4.01 Hz（面内）（d）第四阶自振频率 f=4.95 Hz（面外）图 4主要计算结果 关键构造设计与传统预应力混凝土连续梁桥相比较由于全整体式无缝桥桥台与梁端固结桥台抗推刚度大对主梁在收缩徐变、整体升降温等受力工况都有着较大的影响合理的构造设计是实现结构受力合理、施工便捷及结构安全的关键之处)桥台构造设计 该全整体式无缝桥的构造如图 所示台身采用板式结构厚.台身与桩基之间设置转换承台承台下设置一排直径为.桩基台身相隔一定间距设置泄水孔为了使得预应力张拉阶段受力更加合理张拉力能更大程度施加到主梁上在台身设置后浇带并设置临时支撑系统临时支撑系统的设计是该桥设计的关键所在包括型钢块填充砂和砂浆层型钢块传递竖向力填充的砂和砂浆层除起到模板作用还起到防止浇筑台身上半段时水泥浆与临时支撑系统固结避免了临时支撑系统失效同时也避免了安装桥台竖向钢筋时给模板开孔的麻烦实现了桥台分段施工但钢筋整体绑扎的工艺给后期同类桥台的设计带来借鉴1 700100施工缝后浇段临时支撑系统 250125490225265490192.5 15060160135200临时砂浆层临时填充砂临时支撑系统270150（a）桥台一般构造正面（b）桥台一般构造侧面图 5全整体式无缝桥的构造单位：cm)台背回填及 形搭板设计 整体桥台的台背回填受到整体升降温、收缩徐变、车辆等反复荷载作用搭板的设计及台背回填是桥梁与道路衔接的关键所在 该桥台背回填构造设计如图 所示台背回填中粗砂起到密实作用搭板锚筋将 形搭板主梁连接成为整体传递桥梁纵向位移 形搭板使得竖向刚度渐变过渡避免了台后不均匀沉降并将桥梁整体纵向位移传递到一定覆土深度减轻由于桥梁纵向伸缩引起的路面开裂程度 搭第 卷 第 期 年 月 山西建筑 板上、下表面设置细沙层减少搭板伸缩引起的摩擦力800搭板锚筋板木条加筋格栅35 cm 厚 C30 搭板40 cm 厚 5%水稳层单位：cm95 cm 厚 5%水稳层25 mm 聚苯乙烯3 cm 细砂中粗砂25 mm 聚苯乙烯11图 6台后回填一般构造3 cm 细砂 68 cm 3%水稳层 主要施工顺序设计传统预应力混凝土梁桥多数采用一次落架施工方法纵向钢束张拉完主体结构成形不需要施工阶段转换但全整体无缝桥由于上下部成为一整体为了最大程度将预应力效应施加到主梁上将桥台背墙分两阶段浇筑在桥台设置临时支撑系统主要施工顺序如表 所示 主要经济指标全整体式无缝桥不仅力学性能优而且经济指标好拥有广泛的应用前景具体见表 表 对比分析上表可知全整体式无缝桥在上部结构材料用量与普通预应力连续箱梁基本不变仅在预应力钢束用量上略多下部结构由于将双排桩改成单排桩将重力台改成板式台大大减少了下部结构(桩基 墩台)材料用量混凝土用量减少约 但全整体式无缝桥上、下部结构一起受力下部结构除承受竖向力外还承受弯矩导致下部构件配筋率高总体钢筋用量相当表 主要施工顺序步骤示意图说明一)场地平整及施工桥梁基础部分)施工墩柱及台身支撑段注意桥台台身预留钢筋二)安装桥台临时支撑系统)安装施工支架、模板浇筑箱梁注意台身过渡段的预留钢筋张拉钢束完成主梁施工三)拆除临时支撑系统中砂浆层、填充砂保留型钢块 用微膨胀自流免振细石 混凝土浇筑台身后浇段完成体系转换)浇筑桥台侧墙及台间挡墙四)施工台后回填、桥台搭板及桥台锥坡)施工桥面系及附属构造)进行成桥监测表 主要材料用量表项目主梁混凝土/钢筋/预应力钢筋/桩基混凝土/钢筋/墩台混凝土/钢筋/全整体式无缝桥 普通预应力连续箱梁 表 主要材料用量指标表项目主梁混凝土/()钢筋/()预应力钢筋/()桩基混凝土/()钢筋/()墩台混凝土/()钢筋/()全整体式无缝桥.普通预应力连续箱梁.注:主要材料用量指标表中面积数量是指桥面面积体积数量是指各部件相应体积 结论本文总结分析了某全整体无缝桥总体设计关键构造细节、有限元模型、关键施工技术、主要经济指标通过总结分析得出如下结论:)全整体式无缝桥不仅整体性能好抗震性能强行车舒适度高相比于普通连续箱梁桥其经济指标还优)本文中有限元模拟技术构造细节、施工技术可以为今后同类桥梁设计提供参考)在我国已建成的桥梁中中小桥占据很大比重绝大多数桥梁在运营多年后都暴露出支座和伸缩缝的病害本文为已建成部分中小桥今后无缝化改造提供思路参考文献:陈宝春庄一舟黄福云等.无伸缩缝桥梁.版.北京:人民交通出版社.(下转第 页)第 卷 第 期 年 月 林 松:某全整体无缝桥关键设计要点隧道口驼峰标高的防洪防涝标准的设计规范制定更加科学合理的设计标准以满足城市隧道的安全运行和防洪防涝的需求 随着气候变化的加剧降雨量和极端天气事件可能会增加 因此未来应该更加重视气候变化对城市隧道防洪防涝的影响根据气候变化情景进行规划和设计确保隧道能够适应未来降雨情况 在未来的城市规划和隧道设计中需要综合考虑城市发展、气候变化、地理条件和技术进步等因素不断优化标高设计和防洪防涝标准以确保城市隧道的安全运营和洪水灾害风险的降低参考文献:黄埔区云埔街开源大道隧道“”暴雨内涝自然灾害调查评估报告.广州:广州市人民政府.国务院灾害调查组.河南郑州“”特大暴雨灾害调查报告.北京:国务院灾害调查组.王天林康辰姚军等.从建设管理角度看待隧道勘察与总体设计.公路交通科技(应用技术版)():.郑 艳翟建青武占云等.基于适应性周期的韧性城市分类评价:以我国海绵城市与气候适应型城市试点为例.中国人口资源与环境():.焦胜马伯黎贝.中国城市内涝成因和防控策略研究进展.生态经济():.(.):.:(上接第 页)薛俊青兰 成.整体式桥台桥梁极限长度.建筑科学与工程学报():.徐 明刘鹏飞.整体式桥台研究综述.工程力学():.金晓勤邵旭东.整体式无缝桥梁的研究与应用.重庆交通学院学报():.(.):.:第 卷 第 期 年 月 周 斌等:城市隧道口驼峰标高设计的防洪防涝标准研究