先简支后结构连续桥梁结构设计研究

张 峰

1 先简支后结构连续桥梁结构的必要性

简支梁桥属于静定结构,它具有构造简单、受力明确、施工方便、维修养护容易、地基不均匀沉降不产生附加内力等特点[1]。连续梁桥由于具有变形小、刚度大、伸缩缝少、行车平稳舒适、抗震能力强等许多优点,正逐渐成为高速公路桥梁建设中常用的方案。但由于现浇预应力混凝土连续梁桥相对简支梁桥而言施工复杂繁琐、费工费时,人们一直希望将简支梁桥构造简单、施工方便、维修养护容易等特点与连续梁桥变形小、刚度大、伸缩缝少、行车平稳舒适等优越性有机的结合起来,取长补短以期发挥更大的社会效应和经济效应。

2 先简支后结构连续桥梁结构设计

2.1 设计桥梁基本资料

1)桥梁线性布置。a.平曲线半径:无平曲线。b.竖曲线半径:无竖曲线,纵坡为2%。

2)技术标准。a.设计荷载:汽车—20,挂车—100。b.桥面净宽:净(11.25+2×0.5)m。c.通行要求:无。

3)主要材料。混凝土;预应力钢绞线;普通钢筋;预应力锚具;预应力管道;支座;伸缩缝;焊条。

4)桥面铺装。9 cm厚的沥青混凝土面层,8 cm厚的C50混凝土现浇铺装层。

5)施工方法。简支转连续施工法。

2.2 桥型及纵横断面布置

2.2.1 桥型布置及孔径划分

该桥为某高速公路的大桥,为缩短工期,提高行车舒适性,综合分析各类桥型后最终采用预应力混凝土连续梁桥,跨径为3×30 m,施工方法为简支转连续。

考虑伸缩缝的设置,实际跨径长为89.84 m,即在桥的两头各设8 cm的伸缩缝,桥跨结构的计算简图如图1所示,图1中,计算跨径为29.68 m,连续梁两端至支座中心线之间的距离为40 cm。

2.2.2 截面形式及截面尺寸拟定

1)截面形式及梁高。采用等高度 T形截面,梁高2.00 m,高跨比 H/L=1/15。

2)横截面尺寸。桥面全宽为12.25 m。由于采用简支转连续的施工方法,主梁先预制再运输,吊装就位,因此横截面布置时应考虑到施工中的吊运能力,将桥做成五片T梁的组合截面。其中,预制中梁顶板宽190 cm,腹板宽16 cm,下马蹄宽40 cm;预制边梁顶板宽195 cm,腹板宽16 cm,下马蹄宽 40 cm;预制主梁间采用60 cm的湿接缝,从而减少主梁的吊装质量。T梁翼缘板的厚度主要取决于桥面板承受车轮局部荷载的要求,同时还应考虑能否满足主梁受弯时上翼板抗压强度的要求,为满足顶板负弯矩钢束,普通钢筋的布置及轮载的局部作用,T梁顶板取等厚度20 cm。同时为防止应力集中和便于脱模,在腹板与顶板交界处设置47 cm×6 cm的承脱。按照以上拟定的外形尺寸,就可绘出预制主梁横断面构造图,见图2。

3)横隔梁设置。主梁在荷载作用位置的弯矩横向分布,在当该位置有横隔梁时比较均匀,否则主梁弯矩较大。为减小对主梁设计起控制作用的跨中弯矩,在跨中位置设置一道中横隔梁;当跨度较大时,还应在其他位置设置较多的横隔梁。本设计在桥跨中点、支点处等位置设置横隔梁,其间距为4.8 m。端横隔梁的高度与主梁高度同高,厚度为上部22 cm,下部20 cm;中横隔梁高度为162 cm,厚度为上部16 cm,下部 14 cm。

2.3 毛截面几何特性计算

毛截面几何特性是计算结构内力,配束及变形计算的前提,截面几何特性列表计算见表1。

表1 毛截面几何特性计算结果表

2.4 主梁内力计算

1)单元划分。本设计采用桥梁专用软件GQJS进行结构计算分析。全桥单元划分时,应综合考虑结构在施工过程及正常使用阶段控制设计的截面位置,使控制截面位于单元节点处。本设计为简支转连续梁桥,结合施工,使用结构的受力特性及预应力筋束布置,将全桥划分为99个单元,100个节点。

2)恒载内力计算。第一施工阶段为预制主梁,待混凝土达到设计强度100%后张拉正弯矩区预应力钢束,并压注水泥浆,再将各跨预制T梁安装就位,形成由临时支座支承的简支状态;第二施工阶段是先浇筑第(1),(2)跨及第(2),(3)跨连续段接头混凝土,达到设计强度后,再张拉负弯矩区预应力钢束并压注水泥浆,此阶段形成了五跨连续梁(三大跨两小跨);第三施工阶段拆除全桥的临时支座,主梁支承在永久支座上,完成体系转换,再完成主梁横向接缝,最终形成三跨连续梁;第四施工阶段进行防撞栏杆及桥面铺装施工。由施工过程可知结构恒载是分阶段形成的,主要包括:预制T梁一期恒载集度(g1),成桥后T梁一期恒载集度(g1)、二期恒载集度(g2)(见图3)。

针对本设计横断面的具体构造特点及GQJS程序计算分析的特点,将空间桥跨结构简化为平面结构进行计算,即只对由单片T梁构成的四跨简支转连续梁桥进行结构分析,在活载计算时将采用荷载横向分布这一实用计算方法,恒载空间效应按每片梁均分考虑(也可将其中的护栏按横向分布考虑)[2]。

由施工过程可知,g1适用于主梁第一、二施工阶段恒载内力计算,g2适用于主梁第三施工阶段恒载内力计算,g1+g2适用于第四施工阶段恒载内力计算。则根据单元划分及相应的恒载集度,采用GQJS进行恒载内力计算。

3 结语

与简支梁相比,先简支后连续桥梁去掉了桥墩上的伸缩缝,增强了结构的整体性和行车舒适性,而且桥墩上由两排支座减少为一排,结构中的钢材和混凝土数量少[3];与整体现浇相比,先简支后结构连续桥梁施工方便,不需要搭设脚手架,施工质量容易控制,而且钢材和混凝土数量也少。因此,对中小跨径预应力混凝土桥而言,先简支后连续桥梁是一种经济合理具有较强竞争力的好桥型。

[1]杨文秀.先简支后连续桥梁结构施工工艺[J].科技信息(科学教研),2007(6):31-33.

[2]上官萍,房贞政.先简支后连续桥梁结构体系的应用研究[J].福州大学学报(自科版),2000(5):47-49.

[3]聂国彬,余 吉.谈先简支后结构连续桥梁施工技术[J].中国高新技术企业,2009(4):89-90.