某全整体无缝桥关键设计要点

林 松

(中国华西工程设计建设有限公司,四川 成都 610000)

我国是桥梁大国,据2016年交通运输部统计资料,全国公路桥梁有80.53万座,其中中小桥68.07万座,占89.1%,绝大多数桥梁在运营多年后都暴露出支座和伸缩缝的病害,给养护管理部门造成了很大的困扰[1-4],桥梁设计中少设或不设支座和伸缩缝是当代设计师应坚持的理念。

通常无缝桥分为全整体、半整体和延伸桥面板3种形式,全整体式无缝桥在全桥既无伸缩缝又无支座,是无缝桥中整体性能最好的一种形式。由于其还具有抗震性能强、耐久性好、维护成本低、行车舒适度好、全寿命周期经济指标好等优点,符合当今桥梁设计理念,在中小桥设计中逐步受到青睐。

1 总体设计

该桥上跨城市道路,桥位周边是公园和学校,对桥梁设计降低噪声污染提出了极高的要求,也正是由于对噪声的要求,导致最初设计的三跨连续梁方案在后期被否决(如图1所示)。

基于降低噪声污染要求,综合考虑桥梁经济性,设计提出了采用全整体式无缝桥方案。该桥分左、右幅设计,单幅四车道,桥宽为17.0 m,维持跨径布置3×30 m和桥长90 m与原方案一致;取消两头伸缩缝及支座设置,采用墩梁固结,将两头桥头搭板设置为Z型渐变式搭板。为了减少下部结构对上部结构的纵向约束,使得上部结构主梁仍然能按照预应力A类构件设计,设计时将纵桥向双排桩改成单排桩(桥台桩基由双排直径1.2 m变成单排直径1.5 m,桥墩桩基由双排直径1.5 m变成单排直径1.8 m),并将原来的方墩改成矩形扁墩(1.5 m×1.5 m方墩变成1.2 m×1.8 m矩形扁墩);为了使得中横梁受力更加合理,设计增大了墩柱横向中心间距,避免在横梁中采用横向预应力,简化中横梁受力。最终桥型立面、断面如图2所示,在同类结构中桥长属国内最长。

上部结构与原方案普通连续梁一致,采用单箱三室现浇箱梁断面,梁高为1.6 m;箱梁悬臂宽2.25 m,端部厚0.2 m,根部厚0.4 m;箱梁采用斜腹板,斜率为2∶1,底板宽10.3 m。跨中断面顶板厚度为0.25 m,底板厚度为0.22 m,腹板厚度为0.45 m;在支点位置顶、底、腹板分别加厚至0.45 m,0.42 m,0.75 m,顺桥向采用6 m线性渐变过渡。

两侧桥台与主梁固结,桥台采用板式桥台,壁厚为1.0 m,每个桥台下设置4根直径1.5 m钻孔灌注桩,桥墩采用矩形双柱墩,顺桥向厚为1.2 m,横桥向宽1.8 m,每根墩柱下面设置1根直径为1.8 m钻孔灌注桩;墩柱与桩基之间通过承台进行连接。

2 有限元模型建立及主要结果

正确合理的有限元模型建立是该桥设计的关键环节,设计时有限元模型采用Midas Civil建立,各杆件单元均采用梁单元进行模拟(见图3)。与传统连续箱梁桥不同的是,全整体式无缝桥上、下部整体受力;模型建立时需要模拟主梁、墩柱和桩基,同时桩基需考虑桩土的共同作用。

与传统设支座连续梁区别在于整体升降温及台背的填土荷载一般不会对主梁产生内力;但整体式无缝桥,由于墩梁固结,梁端与桥台固结,整体升降温及台后填土工况会对主梁内力产生较大影响,设计时需要整体考虑,图4示出了主梁正应力、主应力、位移及自振频率结果。

桩端嵌岩按照固定边界考虑,台背填土按照主动土压力进行施加,桩周土模拟为只受压弹簧,弹簧侧向刚度K计算如下:

F=σxzAz。

按照温克尔假定:

σxz=CzXz。

Cz=mz。

Az=azbz。

则:

其中,K为深度z处土的侧向弹簧刚度;Az为深度z处土的计算面积;bz为深度z处基桩计算宽度;az为深度z处土层的厚度;Cz为深度z处的地基系数;m为地基土比例系数;z为土的计算深度。

3 关键构造设计

与传统预应力混凝土连续梁桥相比较,由于全整体式无缝桥桥台与梁端固结,桥台抗推刚度大,对主梁在收缩徐变、整体升降温等受力工况都有着较大的影响;合理的构造设计是实现结构受力合理、施工便捷及结构安全的关键之处。

1)桥台构造设计。该全整体式无缝桥的构造如图5所示,台身采用板式结构,厚1.0 m,台身与桩基之间设置转换承台,承台下设置一排直径为1.5 m桩基,台身相隔一定间距设置泄水孔;为了使得预应力张拉阶段受力更加合理,张拉力能更大程度施加到主梁上,在台身设置后浇带,并设置临时支撑系统。

临时支撑系统的设计是该桥设计的关键所在,包括型钢块,填充砂和砂浆层;型钢块传递竖向力,填充的砂和砂浆层除起到模板作用,还起到防止浇筑台身上半段时水泥浆与临时支撑系统固结,避免了临时支撑系统失效;同时也避免了安装桥台竖向钢筋时给模板开孔的麻烦;实现了桥台分段施工但钢筋整体绑扎的工艺,给后期同类桥台的设计带来借鉴。

2)台背回填及Z形搭板设计。整体桥台的台背回填受到整体升降温、收缩徐变、车辆等反复荷载作用,搭板的设计及台背回填是桥梁与道路衔接的关键所在。该桥台背回填构造设计如图6所示;台背回填中粗砂起到密实作用;搭板锚筋将Z形搭板主梁连接成为整体,传递桥梁纵向位移;Z形搭板使得竖向刚度渐变过渡,避免了台后不均匀沉降,并将桥梁整体纵向位移传递到一定覆土深度,减轻由于桥梁纵向伸缩引起的路面开裂程度。搭板上、下表面设置细沙层,减少搭板伸缩引起的摩擦力。

4 主要施工顺序设计

传统预应力混凝土梁桥多数采用一次落架施工方法,纵向钢束张拉完,主体结构成形,不需要施工阶段转换。

但全整体无缝桥由于上下部成为一整体,为了最大程度将预应力效应施加到主梁上,将桥台背墙分两阶段浇筑,在桥台设置临时支撑系统,主要施工顺序如表1所示。

表1 主要施工顺序

5 主要经济指标

全整体式无缝桥不仅力学性能优,而且经济指标好,拥有广泛的应用前景,具体见表2,表3。

表2 主要材料用量表

表3 主要材料用量指标表

对比分析上表可知,全整体式无缝桥在上部结构材料用量与普通预应力连续箱梁基本不变,仅在预应力钢束用量上略多;下部结构由于将双排桩改成单排桩,将重力台改成板式台,大大减少了下部结构(桩基+墩台)材料用量,混凝土用量减少约55%;但全整体式无缝桥上、下部结构一起受力,下部结构除承受竖向力外还承受弯矩,导致下部构件配筋率高,总体钢筋用量相当。

6 结论

本文总结分析了某全整体无缝桥总体设计,关键构造细节、有限元模型、关键施工技术、主要经济指标,通过总结分析得出如下结论:

1)全整体式无缝桥不仅整体性能好,抗震性能强,行车舒适度高,相比于普通连续箱梁桥,其经济指标还优。

2)本文中有限元模拟技术,构造细节、施工技术可以为今后同类桥梁设计提供参考。

3)在我国已建成的桥梁中,中小桥占据很大比重,绝大多数桥梁在运营多年后都暴露出支座和伸缩缝的病害,本文为已建成部分中小桥今后无缝化改造提供思路。