羅致,張煥,老國健

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510507;2.廣州市高速公路有限公司,廣東 廣州 510055)

1 引言

隨著我國城市化水平的不斷提升,交通出行、交通擁堵問題影響著人們的生活,亟待建設(shè)更多的城市高架乃至復(fù)合型通道[1]。然而,在城市化水平較高的地區(qū)建設(shè)橋梁往往有著眾多的限制因素,既有道路、地下管線、周邊房屋、軌道鐵路等都會對結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方案造成影響,為橋梁建設(shè)增大工程難度[2]。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋是城市橋梁中常見的結(jié)構(gòu)形式,具有結(jié)構(gòu)剛度大變形小、耐久性好、造價經(jīng)濟等優(yōu)點[3]。其采用無支架的懸臂澆筑法施工時,對橋下凈空影響小[4],有利于城市高架橋建設(shè),能在施工過程中維持橋下道路的正常通行。而合理采用箱梁橫梁挑臂的結(jié)構(gòu)形式,能避開橋下沿橋軸線方向上的既有構(gòu)造物。若將懸澆施工與橫梁挑臂的連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)相結(jié)合,將進一步提高其在眾多限制因素下的適應(yīng)能力。國內(nèi)對懸澆箱梁及支架現(xiàn)澆連續(xù)箱梁挑臂橫梁的受力、設(shè)計要點已有較多研究成果[4-7],但目前挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁橋仍缺少設(shè)計案例及相關(guān)研究。本文介紹某城市高速上設(shè)計的一座大挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁橋,并通過空間有限元進行結(jié)構(gòu)分析,重點研究其區(qū)別于常規(guī)懸澆箱梁橋和支架現(xiàn)澆的挑臂橫梁連續(xù)箱梁橋的設(shè)計要點及受力特性,為同類工程提供參考。

2 橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

2.1 總體布置及截面形式

某新建高速沿城市主干道高架方向建設(shè),與既有高速主線交叉,其建設(shè)過程需同時確保橋下城市主干道及既有高速正常運營。且由于交叉節(jié)點距離高鐵橋梁較近,新建高速在上跨既有高速后在較近距離內(nèi)需下穿高鐵橋梁,因此墩高較矮,不宜采用剛構(gòu)方案。在設(shè)計階段,從減少對橋下道路干擾、控制造價的角度出發(fā),在交叉節(jié)點采用挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁橋跨越。橋梁長度163.2 m,跨徑組合為(44.1+75+44.1)m,見圖1。上部結(jié)構(gòu)為變高連續(xù)箱梁,橋?qū)?6.25 m,中支點梁高4.5 m,跨中梁高2.2 m;主墩為2.8 m×2.8 m方墩,其余結(jié)構(gòu)具體尺寸見圖2、圖3。

圖1 連續(xù)箱梁總體布置

圖2 主墩及挑臂橫梁橫斷面

圖3 跨中截面標注橫斷面

2.2 預(yù)應(yīng)力體系

圖4 挑臂橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置

圖5 全橋梁格模型消隱圖

2.3 挑臂橫梁尺寸及配筋

挑臂橫梁設(shè)計高度略高于主梁支點處高度,便于橫梁底緣縱向主筋的布置,避免與主梁縱向鋼筋沖突。橫梁寬3.0 m,高4.7 m,支點間距22.2 m,其余尺寸詳見圖2。底緣布置雙排間距10 cm、直徑28 mm的主筋;為增強其抗扭強度,外圈以10 cm間距布置直徑25 mm的抗扭箍筋;橫梁內(nèi)部同樣以10 cm間距布置4圈(共8肢)直徑20 mm的抗剪箍筋。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 計算模型

采用有限元軟件Midas Civil對挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁進行計算分析,按實際結(jié)構(gòu)尺寸建模。分別建立空間單梁模型及梁格模型,對比兩者的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于挑臂橫梁內(nèi)力而言兩種模型相差較遠,其中自重作用下單梁模型橫梁最大彎矩為192 634 kN·m,梁格模型橫梁最大彎矩為138 988 kN·m。由于單梁模型不能準確反映出主梁質(zhì)量分布情況,因此橫梁計算結(jié)果應(yīng)以梁格模型為準,以下計算分析均采用梁格模型結(jié)果。上部結(jié)構(gòu)采用梁格模擬時,縱向以單個腹板劃分單元并考慮翼緣有效寬度;懸臂外邊緣以虛擬縱梁連接;橫向根據(jù)結(jié)構(gòu)實際尺寸考慮剛度采用虛擬橫梁連接。模型考慮施工階段的影響。

3.2 計算結(jié)果與分析

3.2.1 成橋狀態(tài)

(1)撓度:不同工況下挑臂橫梁及主梁最大撓度見表1,即使考慮撓度長期增長系數(shù)后,仍遠小于規(guī)范[8]規(guī)定的L/600(中跨125 mm,邊跨73.5 mm)。

表1 不同工況下橫梁及主梁最大撓度 單位:mm

(2)內(nèi)力:各種工況下主梁、橫梁的彎矩及橫梁扭矩見圖6。由其內(nèi)力分布情況可知,該結(jié)構(gòu)同時具有常規(guī)懸澆箱梁及挑臂橫梁現(xiàn)澆箱梁的受力特點,又有所不同:①主梁和橫梁的彎矩主要由自重引起,活載作用引起的彎矩較小,主梁中墩負彎矩值較大,橫梁基本均為正彎矩;②相對于整體現(xiàn)澆的挑臂橫梁結(jié)構(gòu)而言,懸澆施工的主墩挑臂橫梁所受重力影響更大,且橫梁彎矩值與主梁縱向最大彎矩值相當,在本案例中橫梁荷載組合下的最大彎矩值已超過主梁最大彎矩;③橫梁的扭矩主要由活載引起,自重引起的扭矩較小,且荷載組合下扭矩值較小,說明該結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)下橫梁抗扭往往不控制設(shè)計。

(a)不同工況下主梁彎矩

圖6 不同工況下主梁、橫梁的彎矩及橫梁扭矩注:圖中活載max和活載min、基本max和基本min分別指《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中汽車荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值和最小值、基本組合作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值和最小值。

(3)橫梁應(yīng)力:主梁的應(yīng)力特點與常規(guī)懸澆箱梁相近,在此僅列出挑臂橫梁在不同工況下的應(yīng)力狀態(tài),橫梁應(yīng)力分布如圖7所示,圖中應(yīng)力壓力為正、拉力為負,圖中豎向虛線位置為橫梁與主梁外腹板邊緣連接部位。由計算結(jié)果:①頻遇組合下橫梁最不利正截面拉應(yīng)力出現(xiàn)在支點附近頂緣,為1.0 MPa,其余位置基本受壓,滿足規(guī)范A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的要求;②標準組合下最不利正截面壓應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁跨中頂緣,為10.2 MPa,小于規(guī)范要求的16.2 MPa;③橫梁與主梁連接部位,應(yīng)力變化平順未發(fā)生突變,考慮彎剪扭共同作用下主拉應(yīng)力較小,同樣滿足規(guī)范對主拉應(yīng)力的相關(guān)要求[8]。挑臂橫梁運營工況下應(yīng)力狀態(tài)較好。

(a)不同工況下挑臂橫梁頂緣正截面應(yīng)力

圖7 不同工況下橫梁應(yīng)力分布注:圖中頻遇min、標準max分別指《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中頻遇組合作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最小值、標準組合作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值。

3.2.2施工階段

根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)尺寸,將其劃分為如圖8所示的9個懸澆節(jié)段,其中第10節(jié)段為合龍段。

圖8 連續(xù)箱梁懸澆節(jié)段劃分情況

1.預(yù)應(yīng)力張拉順序

常規(guī)的支架現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工時,為避免施工過程中鋼束引起的反拱效應(yīng)造成拉應(yīng)力過大,其主梁、橫梁預(yù)應(yīng)力需分批張拉[5]。同樣挑臂橫梁懸澆箱梁橋也需要考慮橫梁鋼束張拉順序與批次,在此設(shè)置三種張拉方案:①0號塊橫梁澆筑完成后一次張拉所有橫梁鋼束再進行縱梁鋼束張拉及懸澆;②0號塊橫梁澆筑完成后先張拉橫梁N2～4鋼束,主梁合龍后二期施工前張拉剩余橫梁鋼束;③0號塊橫梁澆筑完成后先張拉橫梁N2、3鋼束,3號塊懸澆完成后4號塊施工前張拉橫梁N1、4鋼束,主梁合龍后二期施工前張拉剩余橫梁鋼束。不同方案橫梁跨中頂、底緣應(yīng)力如圖9、圖10所示,圖中應(yīng)力壓力為正、拉力為負。

圖9 不同鋼束張拉方案挑臂橫梁跨中頂緣應(yīng)力

圖10 不同鋼束張拉方案挑臂橫梁跨中底緣應(yīng)力

由以上應(yīng)力結(jié)果可知,三種方案最終應(yīng)力狀態(tài)相同,但張拉批次越多,施工過程中橫梁應(yīng)力水平越均勻:采用方案一鋼束一批次完成張拉時,橫梁跨中頂緣拉應(yīng)力2.2 MPa,已超規(guī)范1.855 MPa限值,且底緣壓應(yīng)力12.8 MPa較高;方案二施工過程中,應(yīng)力雖能滿足規(guī)范要求,但第一批鋼束張拉時跨中頂緣出現(xiàn)0.9 MPa拉應(yīng)力,第二批鋼束張拉前最大懸臂狀態(tài)及邊跨合龍階段壓應(yīng)力儲備較小甚至出現(xiàn)輕微拉應(yīng)力;方案三則整體應(yīng)力水平均勻,施工過程基本不出現(xiàn)拉應(yīng)力。綜上,設(shè)計推薦采用橫梁鋼束分三批次張拉的方案三。

2.懸臂階段不平衡荷載工況

懸澆連續(xù)箱梁在施工過程中,即使結(jié)構(gòu)對稱,不平衡荷載同樣難以避免,設(shè)計時應(yīng)對其影響予以充分考慮[9-10]。在此,懸臂階段不平衡荷載考慮如下:①兩側(cè)梁段自重偏差±4%;②橋上不均勻堆載,一側(cè)懸臂8 kN/m均布荷載另一側(cè)空載;③掛籃及模板重量偏差,一端取1.2倍,另一端取0.8倍,其中掛籃及模板重700 kN;④最后一個懸臂段施工不同步,相差一半梁段重量;⑤風(fēng)荷載。

在懸臂施工階段不平衡荷載工況下,墩柱及樁基偏心受壓驗算與常規(guī)懸澆箱梁相近,在此僅列出挑臂橫梁在最大扭矩下的承載能力驗算情況。懸臂施工階段標準組合下橫梁扭矩最大值為30 769 kN·m,根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8]進行矩形截面抗剪扭承載力計算,其抗扭承載力為32 423 kN·m,基本滿足要求。根據(jù)上述結(jié)果,在最不利工況下抗扭承載力基本無富余,存在較大安全風(fēng)險。由于施工期間的不確定因素較多,為確保結(jié)構(gòu)安全,設(shè)計提出施工過程控制扭矩不大于23 000 kN·m的要求。施工過程中除采取常規(guī)的懸澆箱梁監(jiān)控手段外,額外提出需通過監(jiān)測橫梁扭轉(zhuǎn)角來確定橫梁內(nèi)力,當出現(xiàn)較大的不平衡荷載時,及時通過臨時壓重等措施減小橫梁扭矩。

4 結(jié)論

本研究通過對某大挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁橋進行空間有限元結(jié)構(gòu)分析,得出以下結(jié)論:

(1)大挑臂橫梁懸澆箱梁橋結(jié)構(gòu)計算時,單梁模型不能準確反映橫梁內(nèi)力,計算時上部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用梁格模型進行模擬。

(2)該類型結(jié)構(gòu)剛度較大,結(jié)構(gòu)整體撓度較小,行車舒適性良好。

(3)主梁縱橋向的受力特點與常規(guī)懸澆箱梁相同;懸澆施工的挑臂橫梁內(nèi)力相對整體現(xiàn)澆的挑臂橫梁結(jié)構(gòu)而言受自重影響更大,橫梁彎矩主要由自重引起,且橫梁彎矩值較大,在本文案例中橫梁彎矩值與主梁中墩墩頂負彎矩相當;而成橋狀態(tài)下橫梁扭矩值較小,基本不控制設(shè)計。

(4)該類型結(jié)構(gòu)合理設(shè)計時,成橋狀態(tài)下橫梁應(yīng)力狀態(tài)較好,橫梁與主梁連接部位應(yīng)力變化平順,考慮彎剪扭共同作用下主拉應(yīng)力較小。

(5)橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉批次對施工階段應(yīng)力狀態(tài)影響較大,對成橋應(yīng)力狀態(tài)影響較小;設(shè)計時應(yīng)根據(jù)懸澆節(jié)段劃分情況結(jié)合計算結(jié)果合理確定張拉批次,張拉批次越多施工過程中橫梁應(yīng)力水平越均勻,應(yīng)盡量避免出現(xiàn)橫梁壓應(yīng)力過大或較大拉應(yīng)力的情況。

(6)懸臂施工狀態(tài)下不平衡荷載引起的橫梁扭矩較大,在本文案例中,最不利施工工況下橫梁抗扭承載力基本無富余,有一定安全風(fēng)險。宜結(jié)合橫梁扭轉(zhuǎn)角監(jiān)測控制施工過程中的橫梁扭矩,根據(jù)檢測結(jié)果采取臨時壓重措施。