劳劳溪大桥设计与施工

李仁斌

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063)

1 概述

江珠高速公路是珠江三角洲外环高速公路网络的重要组成路段,拟建的劳劳溪大桥是江珠高速公路上的一座大型桥梁工程,其桥孔布设为(3×30 m+40 m+6×30 m)预应力混凝土T梁 +(79+130+79)m预应力混凝土连续箱梁 +40 m预应力混凝土T梁,桥梁全长644.7 m(见图1)。劳劳溪水道属于西江支流,桥位处为Ⅲ(4)级航道,通航净宽不小于95 m,净高不小于10 m。

图1 总体布置(单位：m)

由于路线与劳劳溪水道斜交(斜交角75°),在进行桥型及桥梁结构设计时,既要满足高速公路线形设计标准条件,又要处理好劳劳溪河流域水利规划和航道规划的关系。建桥后既要满足河流的行洪要求,又不恶化河态和水力条件。根据航道规划,考虑船撞几率,主桥配置了79 m+130 m+79 m三跨预应力混凝土变截面连续箱梁,主墩采用矩形实体墩。引桥跨睦洲—龙泉公路(斜交角63°),采用一孔40 m预应力混凝土T梁,其他采用30 m标准跨径预应力混凝土T梁。桥位地基表层有7～32 m左右的淤泥、淤泥质土。

2 结构设计与分析

2.1 结构设计

主桥上部结构为79 m+130 m+79 m三跨预应力混凝土变截面连续箱梁,位于半径17000 m的竖曲线和直线上。箱梁由上、下行分离的两个单箱单室箱形截面组成,顶板宽12.8 m,顶板悬臂长3.4 m,跨中梁高2.8 m,中支点梁高7.0 m,梁底曲线按1.8次抛物线变化(见图2、图3)。顶板厚25 cm,底板厚由跨中28 cm变厚至中支点处70 cm,支点附近底板设水平梗胁,底板厚200 cm。腹板厚由跨中40 cm变厚至中支点处70 cm。悬臂板端部厚17 cm,根部板厚45 cm。在边、中支点处设置横隔梁,横隔梁上设有进人孔。横隔梁厚度分别为80 cm和180 cm。主桥箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系。

主桥上部箱梁双幅分别独立采用挂篮悬臂浇筑施工,主梁零号块长度为11 m,零号块外分16对梁段,对称平衡悬臂逐段浇筑施工。节段长度为3×3 m+5×3.5 m+8×4 m,边跨现浇直线段长12.9 m。全桥共设3个合龙段,其长度均为2 m,悬臂施工的节段最大重量为134 t。

图2 主梁跨中截面(单位：cm)

图3 主梁中支点截面(单位：cm)

主桥下部结构中墩墩身、基础按左右幅分设置,墩身采用矩形实体截面(6.0 m ×3.2 m)；考虑导流及导向作用,承台平面为五边形,桥梁外侧为三角锥形；半幅桥基础为6根1.8 m钻孔灌注桩。主桥边墩采用矩形实体截面(4.0 m×1.7 m),钢筋混凝土盖梁,矩形承台,φ1.5 m钻孔灌注桩基础。

引桥上部结构采用标准跨径30 m、40 m装配式预应力混凝土T梁,先简支后桥面连续。引桥下部结构采用整体三柱墩,座板式桥台,钻孔灌注桩基础。

2.2 主桥结构分析

主桥上部结构静力分析采用大型有限元程序进行,分别包括成桥状态下恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变(按15 000 d)、支座强迫位移、风荷载、温度变化等荷载作用的计算,并以桥梁线性、非线性计算程序进行了校核计算。按有关规定,对各种荷载进行不同荷载组合计算,对结构的强度、刚度和应力做了验算。计算表明,成桥状态以“恒载 +活载 +支座沉降 +升温”的荷载组合控制设计。

箱梁横向采用框架结构模式进行计算[1-8],桥面板支撑长边和短边之比大于2,所以按以短边为跨径的单向板计算。计算选取纵向1 m范围横向框架为计算模型。结构所受荷载有恒载：自重,二期恒载；活载：公路-Ⅰ级；顶板升温8℃,整体升降温20℃。

主桥上结构施工计算,按照梁段划分、施工顺序及工艺,对每一梁段均考虑挂篮就位、浇筑混凝土、张拉预应力等三个施工过程。结合施工实际情况,施工计算共分了53个受力阶段,用大型有限元程序分别对各梁段施工过程中内力、应力、挠度进行计算和验算。设计中主桥按先边跨合龙,后解除临时锚固,最后中跨合龙的顺序考虑。

2.3 预应力体系及钢束布置

主桥箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系,按全预应力构件设计。箱梁纵向预应力分为顶板悬臂束、边跨合龙束和中跨合龙束。

顶板悬臂束均布置于顶板和腹板,其中T1～T10束竖弯后在腹板上锚固,钢束规格为：19-φj15.24和22-φj15.24,通过下弯束有效控制箱梁主拉应力,其余束水平平弯,均在顶板锚固,钢束规格为：12-φj15.24和9-φj15.24。边跨合龙束及中跨合龙束布置于腹板、顶板和底板,钢束规格为：15- φj15.24和 12-φj15.24。部分钢束布置于箱梁腹板并上弯至箱梁顶面锚固,方便施工,其余束通过齿块锚固于箱梁底板。钢绞线标准强度=1 860 MPa,张拉控制应力 σk=1 395 MPa。锚具均为夹片锚。

竖向预应力采用 φ32精轧螺纹钢筋,布置于箱梁腹板内,间距50～100 cm,均为双筋布置。精轧螺纹钢筋标准强度=750 MPa,张拉控制应力0.9=675 MPa,张拉控制力542.9 kN,采用 φ45 mm波纹管制孔。施工中应采用二次张拉工艺,锚固时锚具回缩量不大于1 mm,确保竖向预应力筋的永存应力满足设计要求。位于施工节段线端部的竖向预应力筋应与下一节段的竖向预应力筋同时张拉。

本桥预应力设计原则是保证梁体在正常使用极限状态下满足全预应力控制指标,同时控制悬浇过程的各项应力指标,这主要是基于大跨度连续箱梁施工误差、混凝土性能的不均匀以及计算理论与三向预应力结构工作性状的差异、箱梁剪力滞效应及锚固处预应力的扩散性的等。根据计算结果,运营阶段最大正应力16 MPa,最小正应力0.4 MPa(如图4)；同时主拉应力、剪应力及钢束永存应力等各项指标均控制在规范要求范围内,保证了结构的安全度和耐用性,又方便了施工。

图4 运营阶段主梁应力

主桥结构计算取用主要参数如下。

混凝土弹性模量：3.57×104MPa；桥墩不均匀沉降：2 cm；箱梁体系温度变化：升降温 ±25℃；桥面板的升降温：桥面升温8℃；钢绞线标准强度=1 860 MPa；钢绞线弹性模量：1.9×105MPa；孔道的摩阻系数：0.0015孔道的偏差系数：0.25；锚具的固缩量值：6 mm钢绞线的松弛率：0.003；腹板偏载系数：取1.1。

2.4 引桥结构分析

引桥上部结构的内力及应力计算采用桥梁博士程序进行,荷载横向分配采用刚接梁法[9]。

引桥下部结构计算采用整体框架计算。

3 施工要点

3.1 主桥

主桥箱梁双幅四个单“T”分别独立采用高强精轧螺纹粗钢筋进行墩梁临时固结,按自由悬臂浇筑法施工,合龙后经体系转换成为连续箱梁。

安装永久支座,浇筑临时支座,临时支座为 φ130 cm钢管混凝土立柱。利用墩顶及墩旁支架浇筑箱梁0号块,用高强精轧螺纹粗钢筋形成墩梁固结,并张拉梁段上预应力钢束。主桥箱梁零号块、墩身和承台属大体积混凝土,宜采取有效措施降低混凝土水化热,并注意做好养护工作。混凝土未达到设计强度前避免太阳的暴晒,避免因混凝土水化热过高、混凝土收缩引起表面裂纹。承台浇筑完成后应及时浇筑墩身,使墩身混凝土龄期与承台混凝土龄期不致相差太大。

安装施工挂篮。从1号块至16号块梁段采用挂篮逐悬臂对称,平衡浇筑施工,张拉各阶段预应力钢束。纵向预应力张拉前,先张拉前端3束竖向预应力筋,避免纵向压缩变形不均匀,腹板产生水平或斜向裂缝。横向预应力束滞后纵向3段梁后再张拉,控制横向翼缘不堆施工荷载。各梁段混凝土一次浇筑完成,挂篮在钢束张拉完成及管道压浆达到设计强度后向前移动。靠近过渡墩的边跨16 m梁段在支架上浇筑施工。各悬浇单“T”完成后,相邻两悬臂端相对竖向挠度差不大于2 cm,轴线偏差不大于1 cm。

各单“T”浇筑至最大悬臂,浇筑边跨合龙段,解除墩梁临时固结,浇筑中跨合龙段,完成体系转换,成为三跨连续梁[4,10]。合龙段采用劲性骨架强迫合龙,合龙段混凝土的浇筑应在一天中气温最低时进行。合龙段混凝土达到设计强度的85%后,方可进行合龙段预应力钢束的张拉和体系转换工作。

悬浇挂篮及模板重量按800 k N考虑,合龙吊架及模板重量按2×100 k N(每悬臂端各100 kN)考虑,悬臂端压重每端按400 kN考虑。

3.2 引桥

引桥桥墩均位于陆地上,采用常规方法即可实现钻孔灌注桩的施工,然后立模浇筑系梁、桥墩墩柱和盖梁,张拉盖梁预应力。

引桥上部结构均为预制结构,可采用架梁吊机吊装,并应注意预制梁的编号及其安装位置。然后浇筑整体现浇层。

0号桥台施工采用先填土预压,待沉降完成后,再反开挖施工的施工工艺。

14号桥台先平整场地施工桩基础,再开挖施工承台和台身。最后回填台后填土、施工桥台搭板和护坡。

4 结束语

劳劳溪大桥主桥为三跨PC变截面连续箱梁,引桥为预应力混凝土简支桥面连续T梁,桥型布置合理、紧凑。主桥由于采用了大吨位应力钢绞线,并设置三向预应力体系,合理有效地控制了正应力、剪应力和主拉应力,优化了箱梁断面尺寸[1]。针对地基下伏基岩较深,引桥采用整体三柱墩,充分利用深层地基持力作用,节省了下部构造工程费用,取得明显的经济效益。目前该桥已通车运营。

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