某桥梁工程设计中的结构计算与风险分析

刘立民

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)



某桥梁工程设计中的结构计算与风险分析

刘立民

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)

主要针对桥梁工程设计中的结构计算问题，通过具体的工程实例与笔者勘查的具体数据，提出该工程相适应的结构计算。并针对结构计算的具体方案，保证某桥梁工程的质量，避免一些可能出现的工程危险。

桥梁工程；结构计算；质量保证

1 工程概况

桥梁主桥范围内平面位于直线上，纵面位于直线坡上，路线整幅设计，桥梁上部分左、右幅单独设计，下部左右幅整幅设计。本次设计的基础因注意其中的风险问题，所以对桥梁构造做了局部优化调整。具体如下：

主桥上部3～230 m连续刚构箱梁，箱梁顶板宽12.0 m、底板宽6.5 m，悬臂翼缘长2.75 m，单箱单室结构。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(初步设计为145 cm)，跨中底板厚32 cm，箱梁高度按1.6次方抛物线变化，箱梁底板厚度按1.6次方抛物线变化(初步设计按2.2次方抛物线变化)。箱梁顶板厚30 cm，腹板厚度由跨中45 cm分段变化到根部的90 cm。主桥上部构造按全预应力混凝土设计，采用三向预应力。

主桥下部主墩初步设计采用双肢等截面空心墩，施工图阶段为增加超高桥墩刚度、改善超高桥墩受力，对主桥2#、3#桥墩进行了优化。故1#、4#主墩仍采用双肢等截面空心墩，单肢厚度为3.5 m(初步设计也为3.5 m厚度等截面)，2#、3#主墩采用双肢变截面空心墩，在顺桥向桥墩外侧按1∶100变坡，单肢墩顶厚度为3.5 m(初步设计为4.5 m厚度等截面)，基础为钻孔桩基础，桩径为2.4 m(初步设计为2.3 m)。

2 桥梁结构设计计算

2.1 初步设计桥型方案

某桥梁的地形构造如下，该河的河谷断面类似与一个V字形，且在河床的两岸有着较陡的山坡，地质构造非常不稳定。在孔跨布置时，应该选取合理的设计，尽量避免两岸的主墩位置处于不稳定的地质环境中，以此减少相关基础费用的支出，使得施工进程可以顺利的开展。两岸均存在较大范围的地质不良地带，选择桥型时应尽量避开两岸不良地质体，减少桥梁施工对其的扰动，减少对不良地质体的处置费用。据勘查，该地属于河谷地带，并且水位线较高，桥梁构件的主要受力点大较难选择，但是桥型方案的选择要注意抗风稳定性，因为无论是施工过程，还是未来的运营阶段这都是主要因素。此外，施工安全、方便也是桥型方案应该重点考虑的方面，桥型方案不仅要满足桥梁使用的功能，还需尽可能的考虑新技术、新工艺和新材料，使用成熟可靠的桥型结构，以此来降低工程的造价，提升施工的进度，避免施工当中的风险项。由于该桥建造位置偏僻，有着复杂的地势，所以施工的材料与设备运输也是其中的难点。

河岸在K30+130～K30+200段有一开阔平地，是设置桥墩的理想平台，织金岸K30+400以后有一开阔平地，可以设置桥墩，在考虑留足桥墩距离河岸陡坡的安全后，选择主跨至少应在230 m以上。根据地质勘察建议，河岸不良地质体(岩堆体)不宜施工扰动和人为加载，故宜设置较大跨径跨越。而织金岸不良地质体(岩堆体)处于自然稳定状态，桥梁方案选择不受控制，主要可在工程可行性和经济合理性方面做比选，初步设计据此进行方案比较。

2.2 桥梁结构设计参数

(1)材料设计。

箱梁C55：26 kN/m3(计算时按C50混凝土控制)，桥墩C50：26 kN/m3，承台C30：26 kN/m3，桩基：C30：25 kN/m3。桥面现浇层铺装C50现浇混凝土：26 kN/m3，沥青混凝土铺装：24 kN/m3。护栏C30：25 kN/m3。

(2)预应力设计。

纵向预应力采用公称直径15.20 mm的预应力钢绞线，公称抗拉强度为fpk=1 860 MPa，计算弹性模量E=1.95×105MPa，松弛等级为Ⅱ级。预应力钢束的张拉控制应力采用0.75fpk、0.72fpk两种。预应力管道采用塑料波纹管。锚下控制张拉应力：σ1con=0.75×fpk=1 395 MPa、σ2con=0.72×fpk=1 339.2 MPa。锚具变形与钢束回缩值(一端)：△L=6 mm管道摩阻系数μ=0.17管道偏差系数κ=0.001 5竖向预应力钢筋单根张拉控制应力σk=0.9fpk=706.5 MPa，张拉控制力568 kN考虑，计算时考虑锚具回缩变形1 mm、混凝土长期收缩终值取为0.26×10-3，混凝土收缩变形4 000×0.26×10-3=1.04 mm，混凝土徐变变形1.08 mm，预应力松弛5%，则4.5 m长粗钢筋近似损失应力：σs=0.003 12×2×105/4.5+5%×706.5=174.0 MPa≈0.25σk，则箱梁每延米竖向预加力F=8×0.75×568=3 408 kN。非预应力钢筋：受力筋均采用HRB335普通钢筋。

2.3 结构主要结果分析

某工程项目为高速公路特大型桥梁，设计基准期为100年，环境类别为一般环境。主桥的主梁、主墩等构件均处于干湿交替环境(作用等级为C级)。所以针对桥梁结构结构，其设计结果基本为：在基本组合确定下，上部的箱梁在承载能力中，均已满足设计的极限状态。各单元的弯矩设计值均小于相应的抗弯承载力。在一般情况，箱梁的混凝土能承受的最大压应力为17.0 MPa，满足规范要求。在短期组合下，抗裂验算箱梁混凝土没有出现拉应力，箱梁上缘0#段的最小压应力和跨中下缘最小压应力分别为0.3 MPa和1.5 MPa，该数值均已满足抗裂规范要求。

3 桥梁结构设计风险分析

针对以上桥梁设计计算结果分析，某桥梁结构设计的安全风险预测，根据调查统计情况，如表1所示：

3.1 钢筋的设计风险

钢筋在设计时，可能会发生由于桥梁荷载考虑不周，或者安全储备不够而选取不符合要求规格、等级的钢筋材料；或者配筋量不够。这样可能造成墩台承载力不够。相反，选取高标准的钢材和配筋率而造成材料浪费。钢筋材料风险包括选材不当和材料的质量问题，所以建议钢筋材料要进行严格的抽样力学检测等科学实验。

表1 桥梁结构风险表

3.2 模板支架设计风险

保证工程的模板支架设计的质量也是非常重要的，因为混凝土在浇筑时，很有可能发生支架失稳或者模板坍塌等一系列安全事故。多次使用比较有可能在施工过程破坏模板的强度、刚度和稳定性，由此不能可靠地承担各种荷载，对主墩的尺寸线形会产生影响。滑膜或爬模时容易造成模板构件的损伤，降低了模板系统的周转率，不利于主墩施工。循环使用中模板接缝处也会造成损伤，造成漏浆现象。

3.3 材料配比风险

混凝土应用搅拌机搅拌，搅拌延续时间应根据搅拌机类型，混凝土坍落度等情况确定，时间不足时拌和物将达不到均匀要求，时间过长拌和物可能产生离析。混凝土运输时应确保运输能力适应混凝土凝结速度和浇筑速度的需要。使浇筑工作不间断，并使混凝土运到浇筑地点过程中不断搅拌，否则将不能满足均匀性和规定的坍落度要求。

3.4 大体积混凝土浇筑风险

在混凝土浇筑施工过程，有着极大的风险。第一，混凝土水化热度的控制不当，将有开裂事故的发生。第二，由于浇筑控制不当可能会发生墩台浇筑不密实，此外混凝土的质量不达标，对保护层厚度产生重要影响，甚至有安全隐患。如果混凝土保护层尺寸过大，便会让水泥水化热散发的过程存在困难，使得浇筑的混凝土温度幅度升高过快，出现危险事故。在后期的降温过程中，还肯能出现温度收缩的问题，由于大体积混凝土一般是用较小的配筋量，所以，过快的温度收缩将导致混凝土出现裂缝，严重将导致断裂。

4 结 语

综上所述，结构设计中，除了针对不良地质、高墩、长悬臂等特点做好质量控制和施工安全外，还应注意施工过程中存在的一系列误差，并对结构的内力状态和控制加以分析。加强误差的精度研究，有利于在施工过程中提升构件应力和变形方面研究。此外，还需要注意工程监控，因为在桥梁施工过程中，风险控制是其中一个重要的环节。

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2015-02-18

U445.1

C

1008-3383(2015)09-0122-02