下承式预应力桁架系杆拱桥设计与施工

李晓英,杨恩伟

(1.浙江省湖州南太湖水利水电勘测设计院有限公司,浙江 湖州 313000;2.浙江省湖州市水利水电工程管理处,浙江 湖州 313000)

0 引 言

下承式预应力桁架系杆拱桥是一种拱式组合体系结构[1].由拱肋、系杆、弦杆、横梁、行车道梁(板)、桥面系等组合而成,其力学性能和材料指标往往优于同等设计条件的单一结构体系.特点是将主要承受压力的拱肋和主要承受弯矩的行车道梁组合起来共同承受荷载,充分发挥被组合的各种单体结构的特长,以达到节省材料和降低对地基的要求的设计构想.由于拱肋与行车道梁的联结方式可以有多种形式,一般可划分为有推力和无推力两种类型.本文介绍的实例就是外部静定的无推力结构,兼有拱桥的较大跨越能力和简支梁桥对地基适应能力强的两大特点.

1 工程概况

实例为湖州市重点水利工程——老虎潭水库的一座交通桥工程,跨越于泄洪渠上,与泄洪渠正交布置[2].成为连接库区上坝公路与管理区的纽带.

桥梁单孔跨径50 m,桥面全长52.4 m,桥面顶高程21.5 m(1985国家基面标高).桥面毛宽为0.6 m(拱肋)+1.0 m(人行道)+6.0(车行道)+1.0 m(人行道)+0.6 m(拱肋)=9.2 m.纵向平坡,横向设双向1.5%排水坡.桥下有泄洪要求,梁底标高为20.355 m[7].桥梁设计载重为公路-Ⅱ级、人群荷载3.0 kN/m2.

本桥于2009年11月正式竣工通车,其轻盈的结构造型与库区环境形成了一道独特的风景,见图1.

图1 交通桥实物图

2 结构设计特点

本桥为下承式预应力桁架系杆拱桥,桥梁结构布置,见图2,拱轴线为二次抛物线,矢高6.7 m,矢跨比1∶7.5,吊杆的节间距5 m.全桥各种荷载均由二片预应力系杆拱承受,为便于施工吊装,并结合受力特点,每片预应力拱片由五节片组成(二片端节,二片中节,一片顶节),端节长0.7+2×5.0 m,中节长2×5.0 m,顶节长2×5.0 m,均通过 6束钢绞线,每片吊装自重顶节重26.6 t,中节重25.7 t,端节重24.6 t.二片预应力系杆拱之间通过11根车道横梁及3根顶横梁连接成主体框架,在车道横梁之间铺设8块预应力空心板,组成整体桥面.

增加斜杆的预应力桁架系杆拱从构造和布置上看,除斜杆与拱肋和弦杆的锚固稍显复杂外,这种体系与竖吊杆体系相似;但从内力分配和整体刚度的观点看,增加斜吊杆体系与竖吊杆体系之间有显著的差异[3].有斜杆比没有斜杆的刚度大幅提高,并能降低拱肋中的弯矩(但在竖吊杆体系拱肋中,由活荷载引起的最大弯矩约为 ql2/200～ql2/300),使轴向力成为决定拱肋截面尺寸的内力,且轴力的大小与竖吊杆体系的拱肋轴力没有显著变化.可以充分发挥混凝土的抗压特性,缩小拱肋尺寸.

主要选材:混凝土:预应力系杆拱片与车道横梁用C50混凝土,预应力空心板用C40混凝土,顶横梁用C35混凝土,桥面铺装层与安全带用C40混凝土,桥台台帽用C30混凝土,其他部位用C25混凝土.钢材:主孔中预应力钢束采用Φs15.2(7Φs5)钢绞线,其标准强度为1860 MPa.桥道空心板采用四孔预应力空心板,采用消除应力钢丝,其标准强度为1470 MPa,其它主筋均采用Ⅱ级螺纹钢筋(HRB335),分布筋采用Ⅰ级圆钢(R235).

3 结构施工工序

不同的施工工序及方法对成桥后的结构内力状态影响甚大.根据本桥的结构特点及施工各阶段受力特征,本桥的下部结构采用扶壁式钢筋混凝土桥台,上部结构采取现浇与预制相结合的办法施工.其施工流程操作程序按如下控制:先实施完成两岸桥台扶壁式挡墙基础开挖及混凝土浇筑,并同时完成桁架拱10个节片混凝土预制(每片中拱肋、下弦、竖杆、斜杆等统一放样就近选场预制).

3.1 下部结构的施工工序

为使两岸桥台底板置于弱风化基岩上,桥台底板需放至8.00 m高程,桥台顶高程为21.5 m.鉴于两岸桥台高度较高(13.5 m),经综合比选,桥台结构型式采用扶壁式钢筋混凝土桥台[5].按桥台结构要求,对其浇筑程序按如下控制:完成两岸桥台基础开挖→浇筑混凝土垫层→完成底板钢筋骨架绑扎与混凝土浇捣,→待其强度达到70%设计值以上时,再完成两侧扶壁挡板钢筋骨架绑扎与混凝土浇捣(由于挡板的厚度只有30 cm,高度又较高,因此分段浇筑时需充分振捣)→待其混凝土强度达到85%设计值以上时,再按填筑程序的要求,完成两岸桥台砂砾石的回填.

两岸桥台填筑程序控制:为有利结构受力,必须按如下程序操作:先完成泄洪渠底面标高以下墙内外砂砾石填筑(须按墙内外,均衡同步的回填控制),再完成底面高程以上,两岸护坡回填,然后再完成墙内4 m高砂砾石填筑,余留的墙内3 m高填筑,应待主桥完成后进行.

3.2 上部结构的施工工序

待砼强度达到设计值后,进行各节片竖杆预应力束张拉.节片张拉与拼装,节片竖杆钢束应在现场就地张拉,单竖杆钢束用5根Φs15.2钢绞线,张拉控制力为97.65 t,双竖杆钢束用3根Φs15.2钢绞线,张拉控制力为58.59 t.拱片下弦杆钢束用通长6束布置,采用双向同步张拉,每束用7根(7Φs5)钢绞线,张拉控制力为136.71 t.

待五片节片及上下横梁安装完成后,湿接头强度达到95%以上,方可进行下弦杆钢束张拉;其张拉程序为:对下弦杆上、下4束预应力筋进行张拉,同时完成车道横梁上层2束预应力筋张拉,再安装完成桥面预应力空心板及人行道板,采用从两端向跨中同步均衡对称安装,完成桥板铰接缝及铺装层砼浇筑,应从两端向跨中对称平衡浇筑,待铺装层砼强度达95%以上时,再对剩余下弦杆中间二束预应力筋及车道横梁余留下层2束预应力筋进行张拉,最后拆除临时贝雷支架系统.

4 施工精度控制

拱节片预制因拼装施工精度要求较高,故每节片预制时,必须精确控制它的水平度,几何形状与尺寸[4].浇筑节片的方法,建议采用整体重叠卧式浇筑,即按图中尺寸标准用一个大样精确控制.拱节片须整体连续浇筑,由于混凝土标号高达C50,为保证质量,气温高时需掺用减水剂.

节片架设与吊装,完成临时贝雷支架搭设及预压.节片起吊安装,由于节片横向刚度小,在吊装时必须谨慎稳妥.节片起吊前,对其薄弱部位(斜杆与竖杆),必须用各种工具、杆件或索具按起吊时构件受力情况予以加固后,方可起吊;在节片由水平位置改为竖直时,应注意同步受力,防止折断,然后移动精确就位.

5 张拉程序与质量控制

后张法钢绞线张拉程序为:0→初始应力(0.1σcon)→σcon(持荷 2 min 锚固),σcon为张拉时的控制应力,张拉质量控制,滑丝量和断丝的控制:张拉过程中如1根钢绞线被拉断,该束应换束重拉.每束中钢丝拉断数量容许1根,钢绞线的瞬时回缩值不得大于3 mm,张拉滑移量的总和不得大于该束总伸长的2%.对车道横梁骨架中选用Φ 22的螺纹钢,在使用前应进行力学性能试验.每批中截取9根试件,3根做拉力试验,3根做冷弯试验,3根做可焊性试验,试验结果均应满足规范要求,其它主筋也应进行抽样试验[6].

6 结 语

近年来,下承式预应力桁架系杆拱桥已经在水利工程中得到较为普遍的运用,而增加了斜吊杆的预应力桁架系杆拱结构在力学特性诸如内力、挠度等方面均优于竖吊杆体系.其立面的视觉效果也富有节律的变化,建桥的经济指标也较优.因而在类似跨径桥梁的实际选型中,此结构体系不失为一种值得优先考虑的桥型.

[1]顾安邦,孙国柱.拱桥[M].北京:人民交通出版社,1996.

[2]高冬光.桥位设计[M].北京:人民交通出版社,1998.

[3]王勖成,邵敏著有限单元法基本原理与数值方法[M].北京:清华大学出版社,1988.

[4]刘效尧,朱新实.预应力技术及材料设备[M].北京:人民交通出版社,1997.

[5]中交公路规划设计院.JTG D63-2007公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[6]中交公路规划设计院.JTG-D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7]中交公路规划设计院.JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004.