摘 要：概要地介紹了內(nèi)昆鐵路花土坡特大橋高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁設(shè)計(jì)。該橋主橋?yàn)橐宦?lián)4孔預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,主跨104ｍ,主墩高達(dá)110ｍ。
關(guān)鍵詞:高墩;長(zhǎng)跨橋;預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);連續(xù)梁;鐵路橋;橋梁設(shè)計(jì)
1 概 述
內(nèi)昆鐵路花土坡特大橋位于云南、貴州兩省交界處,橋址屬于高原剝蝕、侵蝕地貌。地形起伏較大,相對(duì)高差約120ｍ,其中右岸沖溝發(fā)育,岸坡及沖溝壁陡立,靠昆明端有一古滑坡,橋渡區(qū)大部分墾為旱地,植被極差。離大橋橋位200～300ｍ為區(qū)域性大斷裂“龍翻身”斷層,該斷層為一逆掩斷層,近Ｓ～Ｎ向展布,傾向東。受其影響,地層巖體破碎,節(jié)理(裂隙)發(fā)育。橋址處屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫為10.4℃,極端氣溫35.7℃,極端最低氣溫-15.3℃。極端風(fēng)速24ｍ/ｓ。橋址處地震基本烈度為7度?？睖y(cè)時(shí),對(duì)該段線路經(jīng)過多方案的綜合比較,選定線路在此通過?；ㄍ疗绿卮髽蛑鳂蚪Y(jié)構(gòu)為一聯(lián)(64+2×104+64)ｍ預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,主墩高達(dá)110ｍ。
2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 主梁構(gòu)造及節(jié)段劃分
主梁采用單箱單室、直腹板、變截面變高度箱梁,其幾何尺寸的確定由梁的橫、豎向剛度及某些構(gòu)造因素控制。本橋跨中梁高為4.5ｍ,為主跨的1/23.11,中支點(diǎn)梁高為7.6ｍ,為主跨的1/13.68。本橋箱寬在保證足夠剛度的前提下,采用5.0ｍ,寬跨比為1/20.8,突破了1/20的限制。橋面寬7.0ｍ。梁高及底板厚沿跨徑方向按二次拋物線變化,跨中設(shè)10ｍ長(zhǎng)的直線段,使得梁體輕巧,梁底曲線流暢。箱梁頂板厚度為0.42ｍ,邊跨端塊處頂板厚由0.42ｍ漸變至0.80ｍ,主要為構(gòu)造控制。底板厚度為0.40～0.90ｍ,腹板厚度為0.40～0.70ｍ,主要為強(qiáng)度及構(gòu)造控制。
在考慮全梁的節(jié)段劃分時(shí),根據(jù)一般懸臂灌筑施工節(jié)段長(zhǎng)度在4ｍ以下,各節(jié)段重量不宜相差太大,且節(jié)段長(zhǎng)度不宜太多的原則,懸灌節(jié)段長(zhǎng)度分為3.0,3.5,4.0ｍ三種。0號(hào)段長(zhǎng)度考慮掛籃所需的長(zhǎng)度等因素,節(jié)段長(zhǎng)度采用12ｍ。邊跨端部節(jié)段長(zhǎng)為3.6ｍ,合龍段長(zhǎng)為2.0ｍ。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁,隨著跨度的增加,恒載所占的比重也加大。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能采用高標(biāo)號(hào)混凝土以提高截面的有效承載力,同時(shí)在保證梁體必要?jiǎng)偠鹊那疤嵯?盡可能地減輕梁體結(jié)構(gòu)自重。本橋?yàn)閱尉€鐵路橋,考慮到箱形截面抗彎及抗扭剛度大,僅在支座處設(shè)有橫隔板,這樣既減輕了梁體的自重也簡(jiǎn)化了施工工藝。
2.2 梁體預(yù)應(yīng)力體系
箱梁按全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì),考慮箱梁較高、較寬以及鐵路活載較大等因素,通過計(jì)算決定對(duì)梁體采用三向預(yù)應(yīng)力布置?？v向頂板、腹板鋼束采用9-75高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-9群錨;底板鋼束采用12-75高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-12群錨。橫向采用2-75鋼絞線,扁型金屬波紋管成孔,單端交替張拉,張拉端為ＳＴＢＭ15-2扁形錨具錨固,固定端為ＳＴＢＭ15Ｐ-2型錨具錨固。在箱梁頂板每0.5ｍ布置1根。腹板豎向預(yù)應(yīng)力采用Ｌ25高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋,ＹＧＭ-25型錨具錨固,在腹板內(nèi)雙排布置,在梁上間距為0.4～0.5ｍ。考慮到腹板根部的負(fù)彎矩,鋼筋重心布置偏向外側(cè),它與腹板彎起的鋼絞線及橫向箍筋共同承擔(dān)梁體的主拉應(yīng)力。
2.3 主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算
將連續(xù)梁劃分為98個(gè)單元進(jìn)行有限元分析計(jì)算,分別按擬定的施工步驟和成橋運(yùn)營(yíng)進(jìn)行全面計(jì)算。荷載按主力及主力+附加力進(jìn)行組合,并計(jì)入列車沖擊力。主力組合:恒載+活載+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+支點(diǎn)沉降;主力+附加力組合:①主力+支座摩阻+溫度變化;②主力+制動(dòng)力+溫度變化。計(jì)算頂、底板壓應(yīng)力為13.26ＭＰａ,最小壓應(yīng)力為1.92ＭＰａ,截面均不出現(xiàn)拉應(yīng)力,主跨跨中活載撓度4.7ｃｍ;邊跨跨中活載撓度1.7ｃｍ。
3 橋墩設(shè)計(jì)
主橋各墩所承受的制動(dòng)力或牽引力,按各墩的抗推剛度進(jìn)行分配,并考慮活動(dòng)支座滑移后引起制動(dòng)力的重新分配以及溫度變化引起梁體伸縮變形產(chǎn)生的水平力對(duì)制動(dòng)力分配的影響。對(duì)于風(fēng)力的影響,考慮了合理的風(fēng)振系數(shù)。除常規(guī)計(jì)算外,還對(duì)墩、梁整體進(jìn)行動(dòng)力特性分析。連續(xù)梁3個(gè)主墩墩高分別為104,110,78ｍ,2個(gè)邊墩墩高分別為66ｍ和55ｍ。該橋地處云貴高原,風(fēng)速較大,極端風(fēng)速達(dá)24ｍ/ｓ。因此,對(duì)風(fēng)力問題要引起足夠的重視,墩身應(yīng)選擇合理的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)形式,盡量減少風(fēng)振的影響。本橋墩身采用鋼筋混凝土圓端形空心墩,這種墩型抗風(fēng)性能良好,抗彎及抗扭剛度大。在橋墩設(shè)計(jì)中,采用ＡＮＳＹＳ的ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬ ＩＤ95單元對(duì)高墩進(jìn)行實(shí)體模擬。為了更好地反映墩、頂帽、實(shí)體段的各部位的應(yīng)力情況,在建模時(shí)考慮了這些部分及梗脅的作用。鑒于解題的規(guī)?？刂?在單元?jiǎng)澐謺r(shí),在墩身與實(shí)體連接處單元?jiǎng)澐州^密,墩身部分則單元?jiǎng)澐州^稀。荷載處理時(shí),將豎向軸力按等效均布力作用在支承墊石上,橫向(縱向)力等效到4個(gè)錨栓孔處,由于ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬＩＤ95單元不能直接承受彎矩,故彎矩以等效力偶來代替,作用在支承墊石4個(gè)錨栓孔處。計(jì)算結(jié)果表明,除了墩頂、墩底應(yīng)力變化大,且應(yīng)力較集中外,墩身部分應(yīng)力分布變化均勻;墩身的應(yīng)力分布反映了墩偏心受壓的受力特性,其截面應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求;在墩身與頂帽和基礎(chǔ)連接處,由于實(shí)體段的剛度較墩壁大,相當(dāng)于固端,對(duì)墩壁有約束作用,因此,該部位的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力增大很多,須在設(shè)計(jì)中引起重視。
關(guān)鍵詞:高墩;長(zhǎng)跨橋;預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);連續(xù)梁;鐵路橋;橋梁設(shè)計(jì)
1 概 述
內(nèi)昆鐵路花土坡特大橋位于云南、貴州兩省交界處,橋址屬于高原剝蝕、侵蝕地貌。地形起伏較大,相對(duì)高差約120ｍ,其中右岸沖溝發(fā)育,岸坡及沖溝壁陡立,靠昆明端有一古滑坡,橋渡區(qū)大部分墾為旱地,植被極差。離大橋橋位200～300ｍ為區(qū)域性大斷裂“龍翻身”斷層,該斷層為一逆掩斷層,近Ｓ～Ｎ向展布,傾向東。受其影響,地層巖體破碎,節(jié)理(裂隙)發(fā)育。橋址處屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫為10.4℃,極端氣溫35.7℃,極端最低氣溫-15.3℃。極端風(fēng)速24ｍ/ｓ。橋址處地震基本烈度為7度?？睖y(cè)時(shí),對(duì)該段線路經(jīng)過多方案的綜合比較,選定線路在此通過?；ㄍ疗绿卮髽蛑鳂蚪Y(jié)構(gòu)為一聯(lián)(64+2×104+64)ｍ預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,主墩高達(dá)110ｍ。
2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 主梁構(gòu)造及節(jié)段劃分
主梁采用單箱單室、直腹板、變截面變高度箱梁,其幾何尺寸的確定由梁的橫、豎向剛度及某些構(gòu)造因素控制。本橋跨中梁高為4.5ｍ,為主跨的1/23.11,中支點(diǎn)梁高為7.6ｍ,為主跨的1/13.68。本橋箱寬在保證足夠剛度的前提下,采用5.0ｍ,寬跨比為1/20.8,突破了1/20的限制。橋面寬7.0ｍ。梁高及底板厚沿跨徑方向按二次拋物線變化,跨中設(shè)10ｍ長(zhǎng)的直線段,使得梁體輕巧,梁底曲線流暢。箱梁頂板厚度為0.42ｍ,邊跨端塊處頂板厚由0.42ｍ漸變至0.80ｍ,主要為構(gòu)造控制。底板厚度為0.40～0.90ｍ,腹板厚度為0.40～0.70ｍ,主要為強(qiáng)度及構(gòu)造控制。
在考慮全梁的節(jié)段劃分時(shí),根據(jù)一般懸臂灌筑施工節(jié)段長(zhǎng)度在4ｍ以下,各節(jié)段重量不宜相差太大,且節(jié)段長(zhǎng)度不宜太多的原則,懸灌節(jié)段長(zhǎng)度分為3.0,3.5,4.0ｍ三種。0號(hào)段長(zhǎng)度考慮掛籃所需的長(zhǎng)度等因素,節(jié)段長(zhǎng)度采用12ｍ。邊跨端部節(jié)段長(zhǎng)為3.6ｍ,合龍段長(zhǎng)為2.0ｍ。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁,隨著跨度的增加,恒載所占的比重也加大。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能采用高標(biāo)號(hào)混凝土以提高截面的有效承載力,同時(shí)在保證梁體必要?jiǎng)偠鹊那疤嵯?盡可能地減輕梁體結(jié)構(gòu)自重。本橋?yàn)閱尉€鐵路橋,考慮到箱形截面抗彎及抗扭剛度大,僅在支座處設(shè)有橫隔板,這樣既減輕了梁體的自重也簡(jiǎn)化了施工工藝。
2.2 梁體預(yù)應(yīng)力體系
箱梁按全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì),考慮箱梁較高、較寬以及鐵路活載較大等因素,通過計(jì)算決定對(duì)梁體采用三向預(yù)應(yīng)力布置?？v向頂板、腹板鋼束采用9-75高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-9群錨;底板鋼束采用12-75高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-12群錨。橫向采用2-75鋼絞線,扁型金屬波紋管成孔,單端交替張拉,張拉端為ＳＴＢＭ15-2扁形錨具錨固,固定端為ＳＴＢＭ15Ｐ-2型錨具錨固。在箱梁頂板每0.5ｍ布置1根。腹板豎向預(yù)應(yīng)力采用Ｌ25高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋,ＹＧＭ-25型錨具錨固,在腹板內(nèi)雙排布置,在梁上間距為0.4～0.5ｍ。考慮到腹板根部的負(fù)彎矩,鋼筋重心布置偏向外側(cè),它與腹板彎起的鋼絞線及橫向箍筋共同承擔(dān)梁體的主拉應(yīng)力。
2.3 主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算
將連續(xù)梁劃分為98個(gè)單元進(jìn)行有限元分析計(jì)算,分別按擬定的施工步驟和成橋運(yùn)營(yíng)進(jìn)行全面計(jì)算。荷載按主力及主力+附加力進(jìn)行組合,并計(jì)入列車沖擊力。主力組合:恒載+活載+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+支點(diǎn)沉降;主力+附加力組合:①主力+支座摩阻+溫度變化;②主力+制動(dòng)力+溫度變化。計(jì)算頂、底板壓應(yīng)力為13.26ＭＰａ,最小壓應(yīng)力為1.92ＭＰａ,截面均不出現(xiàn)拉應(yīng)力,主跨跨中活載撓度4.7ｃｍ;邊跨跨中活載撓度1.7ｃｍ。
3 橋墩設(shè)計(jì)
主橋各墩所承受的制動(dòng)力或牽引力,按各墩的抗推剛度進(jìn)行分配,并考慮活動(dòng)支座滑移后引起制動(dòng)力的重新分配以及溫度變化引起梁體伸縮變形產(chǎn)生的水平力對(duì)制動(dòng)力分配的影響。對(duì)于風(fēng)力的影響,考慮了合理的風(fēng)振系數(shù)。除常規(guī)計(jì)算外,還對(duì)墩、梁整體進(jìn)行動(dòng)力特性分析。連續(xù)梁3個(gè)主墩墩高分別為104,110,78ｍ,2個(gè)邊墩墩高分別為66ｍ和55ｍ。該橋地處云貴高原,風(fēng)速較大,極端風(fēng)速達(dá)24ｍ/ｓ。因此,對(duì)風(fēng)力問題要引起足夠的重視,墩身應(yīng)選擇合理的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)形式,盡量減少風(fēng)振的影響。本橋墩身采用鋼筋混凝土圓端形空心墩,這種墩型抗風(fēng)性能良好,抗彎及抗扭剛度大。在橋墩設(shè)計(jì)中,采用ＡＮＳＹＳ的ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬ ＩＤ95單元對(duì)高墩進(jìn)行實(shí)體模擬。為了更好地反映墩、頂帽、實(shí)體段的各部位的應(yīng)力情況,在建模時(shí)考慮了這些部分及梗脅的作用。鑒于解題的規(guī)?？刂?在單元?jiǎng)澐謺r(shí),在墩身與實(shí)體連接處單元?jiǎng)澐州^密,墩身部分則單元?jiǎng)澐州^稀。荷載處理時(shí),將豎向軸力按等效均布力作用在支承墊石上,橫向(縱向)力等效到4個(gè)錨栓孔處,由于ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬＩＤ95單元不能直接承受彎矩,故彎矩以等效力偶來代替,作用在支承墊石4個(gè)錨栓孔處。計(jì)算結(jié)果表明,除了墩頂、墩底應(yīng)力變化大,且應(yīng)力較集中外,墩身部分應(yīng)力分布變化均勻;墩身的應(yīng)力分布反映了墩偏心受壓的受力特性,其截面應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求;在墩身與頂帽和基礎(chǔ)連接處,由于實(shí)體段的剛度較墩壁大,相當(dāng)于固端,對(duì)墩壁有約束作用,因此,該部位的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力增大很多,須在設(shè)計(jì)中引起重視。