劉立民

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

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某橋梁工程設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)計(jì)算與風(fēng)險(xiǎn)分析

劉立民

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

主要針對橋梁工程設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)計(jì)算問題，通過具體的工程實(shí)例與筆者勘查的具體數(shù)據(jù)，提出該工程相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算。并針對結(jié)構(gòu)計(jì)算的具體方案，保證某橋梁工程的質(zhì)量，避免一些可能出現(xiàn)的工程危險(xiǎn)。

橋梁工程；結(jié)構(gòu)計(jì)算；質(zhì)量保證

1 工程概況

橋梁主橋范圍內(nèi)平面位于直線上，縱面位于直線坡上，路線整幅設(shè)計(jì)，橋梁上部分左、右幅單獨(dú)設(shè)計(jì)，下部左右幅整幅設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)因注意其中的風(fēng)險(xiǎn)問題，所以對橋梁構(gòu)造做了局部優(yōu)化調(diào)整。具體如下：

主橋上部3～230 m連續(xù)剛構(gòu)箱梁，箱梁頂板寬12.0 m、底板寬6.5 m，懸臂翼緣長2.75 m，單箱單室結(jié)構(gòu)。箱梁根部梁高14.5 m，跨中梁高4.5 m，箱梁根部底板厚150 cm(初步設(shè)計(jì)為145 cm)，跨中底板厚32 cm，箱梁高度按1.6次方拋物線變化，箱梁底板厚度按1.6次方拋物線變化(初步設(shè)計(jì)按2.2次方拋物線變化)。箱梁頂板厚30 cm，腹板厚度由跨中45 cm分段變化到根部的90 cm。主橋上部構(gòu)造按全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，采用三向預(yù)應(yīng)力。

主橋下部主墩初步設(shè)計(jì)采用雙肢等截面空心墩，施工圖階段為增加超高橋墩剛度、改善超高橋墩受力，對主橋2#、3#橋墩進(jìn)行了優(yōu)化。故1#、4#主墩仍采用雙肢等截面空心墩，單肢厚度為3.5 m(初步設(shè)計(jì)也為3.5 m厚度等截面)，2#、3#主墩采用雙肢變截面空心墩，在順橋向橋墩外側(cè)按1∶100變坡，單肢墩頂厚度為3.5 m(初步設(shè)計(jì)為4.5 m厚度等截面)，基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)，樁徑為2.4 m(初步設(shè)計(jì)為2.3 m)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 初步設(shè)計(jì)橋型方案

某橋梁的地形構(gòu)造如下，該河的河谷斷面類似與一個V字形，且在河床的兩岸有著較陡的山坡，地質(zhì)構(gòu)造非常不穩(wěn)定。在孔跨布置時，應(yīng)該選取合理的設(shè)計(jì)，盡量避免兩岸的主墩位置處于不穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境中，以此減少相關(guān)基礎(chǔ)費(fèi)用的支出，使得施工進(jìn)程可以順利的開展。兩岸均存在較大范圍的地質(zhì)不良地帶，選擇橋型時應(yīng)盡量避開兩岸不良地質(zhì)體，減少橋梁施工對其的擾動，減少對不良地質(zhì)體的處置費(fèi)用。據(jù)勘查，該地屬于河谷地帶，并且水位線較高，橋梁構(gòu)件的主要受力點(diǎn)大較難選擇，但是橋型方案的選擇要注意抗風(fēng)穩(wěn)定性，因?yàn)闊o論是施工過程，還是未來的運(yùn)營階段這都是主要因素。此外，施工安全、方便也是橋型方案應(yīng)該重點(diǎn)考慮的方面，橋型方案不僅要滿足橋梁使用的功能，還需盡可能的考慮新技術(shù)、新工藝和新材料，使用成熟可靠的橋型結(jié)構(gòu)，以此來降低工程的造價(jià)，提升施工的進(jìn)度，避免施工當(dāng)中的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)。由于該橋建造位置偏僻，有著復(fù)雜的地勢，所以施工的材料與設(shè)備運(yùn)輸也是其中的難點(diǎn)。

河岸在K30+130～K30+200段有一開闊平地，是設(shè)置橋墩的理想平臺，織金岸K30+400以后有一開闊平地，可以設(shè)置橋墩，在考慮留足橋墩距離河岸陡坡的安全后，選擇主跨至少應(yīng)在230 m以上。根據(jù)地質(zhì)勘察建議，河岸不良地質(zhì)體(巖堆體)不宜施工擾動和人為加載，故宜設(shè)置較大跨徑跨越。而織金岸不良地質(zhì)體(巖堆體)處于自然穩(wěn)定狀態(tài)，橋梁方案選擇不受控制，主要可在工程可行性和經(jīng)濟(jì)合理性方面做比選，初步設(shè)計(jì)據(jù)此進(jìn)行方案比較。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)材料設(shè)計(jì)。

箱梁C55：26 kN/m3(計(jì)算時按C50混凝土控制)，橋墩C50：26 kN/m3，承臺C30：26 kN/m3，樁基：C30：25 kN/m3。橋面現(xiàn)澆層鋪裝C50現(xiàn)澆混凝土：26 kN/m3，瀝青混凝土鋪裝：24 kN/m3。護(hù)欄C30：25 kN/m3。

(2)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。

縱向預(yù)應(yīng)力采用公稱直徑15.20 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱抗拉強(qiáng)度為fpk=1 860 MPa，計(jì)算彈性模量E=1.95×105MPa，松弛等級為Ⅱ級。預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉控制應(yīng)力采用0.75fpk、0.72fpk兩種。預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管。錨下控制張拉應(yīng)力：σ1con=0.75×fpk=1 395 MPa、σ2con=0.72×fpk=1 339.2 MPa。錨具變形與鋼束回縮值(一端)：△L=6 mm管道摩阻系數(shù)μ=0.17管道偏差系數(shù)κ=0.001 5豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋單根張拉控制應(yīng)力σk=0.9fpk=706.5 MPa，張拉控制力568 kN考慮，計(jì)算時考慮錨具回縮變形1 mm、混凝土長期收縮終值取為0.26×10-3，混凝土收縮變形4 000×0.26×10-3=1.04 mm，混凝土徐變變形1.08 mm，預(yù)應(yīng)力松弛5%，則4.5 m長粗鋼筋近似損失應(yīng)力：σs=0.003 12×2×105/4.5+5%×706.5=174.0 MPa≈0.25σk，則箱梁每延米豎向預(yù)加力F=8×0.75×568=3 408 kN。非預(yù)應(yīng)力鋼筋：受力筋均采用HRB335普通鋼筋。

2.3 結(jié)構(gòu)主要結(jié)果分析

某工程項(xiàng)目為高速公路特大型橋梁，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，環(huán)境類別為一般環(huán)境。主橋的主梁、主墩等構(gòu)件均處于干濕交替環(huán)境(作用等級為C級)。所以針對橋梁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)結(jié)果基本為：在基本組合確定下，上部的箱梁在承載能力中，均已滿足設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)。各單元的彎矩設(shè)計(jì)值均小于相應(yīng)的抗彎承載力。在一般情況，箱梁的混凝土能承受的最大壓應(yīng)力為17.0 MPa，滿足規(guī)范要求。在短期組合下，抗裂驗(yàn)算箱梁混凝土沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，箱梁上緣0#段的最小壓應(yīng)力和跨中下緣最小壓應(yīng)力分別為0.3 MPa和1.5 MPa，該數(shù)值均已滿足抗裂規(guī)范要求。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析

針對以上橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析，某橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)情況，如表1所示：

3.1 鋼筋的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)

鋼筋在設(shè)計(jì)時，可能會發(fā)生由于橋梁荷載考慮不周，或者安全儲備不夠而選取不符合要求規(guī)格、等級的鋼筋材料；或者配筋量不夠。這樣可能造成墩臺承載力不夠。相反，選取高標(biāo)準(zhǔn)的鋼材和配筋率而造成材料浪費(fèi)。鋼筋材料風(fēng)險(xiǎn)包括選材不當(dāng)和材料的質(zhì)量問題，所以建議鋼筋材料要進(jìn)行嚴(yán)格的抽樣力學(xué)檢測等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)表

3.2 模板支架設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)

保證工程的模板支架設(shè)計(jì)的質(zhì)量也是非常重要的，因?yàn)榛炷猎跐仓r，很有可能發(fā)生支架失穩(wěn)或者模板坍塌等一系列安全事故。多次使用比較有可能在施工過程破壞模板的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，由此不能可靠地承擔(dān)各種荷載，對主墩的尺寸線形會產(chǎn)生影響。滑膜或爬模時容易造成模板構(gòu)件的損傷，降低了模板系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)率，不利于主墩施工。循環(huán)使用中模板接縫處也會造成損傷，造成漏漿現(xiàn)象。

3.3 材料配比風(fēng)險(xiǎn)

混凝土應(yīng)用攪拌機(jī)攪拌，攪拌延續(xù)時間應(yīng)根據(jù)攪拌機(jī)類型，混凝土坍落度等情況確定，時間不足時拌和物將達(dá)不到均勻要求，時間過長拌和物可能產(chǎn)生離析。混凝土運(yùn)輸時應(yīng)確保運(yùn)輸能力適應(yīng)混凝土凝結(jié)速度和澆筑速度的需要。使?jié)仓ぷ鞑婚g斷，并使混凝土運(yùn)到澆筑地點(diǎn)過程中不斷攪拌，否則將不能滿足均勻性和規(guī)定的坍落度要求。

3.4 大體積混凝土澆筑風(fēng)險(xiǎn)

在混凝土澆筑施工過程，有著極大的風(fēng)險(xiǎn)。第一，混凝土水化熱度的控制不當(dāng)，將有開裂事故的發(fā)生。第二，由于澆筑控制不當(dāng)可能會發(fā)生墩臺澆筑不密實(shí)，此外混凝土的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，對保護(hù)層厚度產(chǎn)生重要影響，甚至有安全隱患。如果混凝土保護(hù)層尺寸過大，便會讓水泥水化熱散發(fā)的過程存在困難，使得澆筑的混凝土溫度幅度升高過快，出現(xiàn)危險(xiǎn)事故。在后期的降溫過程中，還肯能出現(xiàn)溫度收縮的問題，由于大體積混凝土一般是用較小的配筋量，所以，過快的溫度收縮將導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重將導(dǎo)致斷裂。

4 結(jié) 語

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了針對不良地質(zhì)、高墩、長懸臂等特點(diǎn)做好質(zhì)量控制和施工安全外，還應(yīng)注意施工過程中存在的一系列誤差，并對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)和控制加以分析。加強(qiáng)誤差的精度研究，有利于在施工過程中提升構(gòu)件應(yīng)力和變形方面研究。此外，還需要注意工程監(jiān)控，因?yàn)樵跇蛄菏┕み^程中，風(fēng)險(xiǎn)控制是其中一個重要的環(huán)節(jié)。

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2015-02-18

U445.1

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1008-3383(2015)09-0122-02