小半径大跨度体外预应力钢混组合梁桥设计研究

安伟胜

(河北省交通规划设计研究院有限公司 石家庄市 050000)

0 引言

伴随着中国社会的快速发展,城市的持续扩张导致了交通堵塞等城市问题的普遍存在。同时,北京这座大都市的影响力使得其周围的城市也承受了巨大的交通负担。

燕郊镇位于北京通州区以东,是北京上班通勤的重要枢纽,也是河北通往北京的“西大门”。近年来,随着燕郊镇人口增多,商业迅猛发展,燕郊镇高新技术产业开发区人口增多,交通枢纽改造面临更高要求。

1 工程概况

燕郊西出口改建工程位于三河市燕郊镇西部燕郊镇高新技术产业开发区,项目以通燕高速、G102为主线,通过设置8条匝道及2条环岛路(南环岛路、北环岛路)对既有简易环岛进行改造。

由于场地十分狭窄,包括改造主线、8条互通匝道、2条环岛辅路在内的11条道路主要占地区域仅约为9×104m2。匝道路线平曲线半径小,跨越道路匝道纵坡大,在此困难线形上布设桥梁密集。其中,D匝道展线最为困难,主要疏导河北方向车辆,通过燕顺路进入燕郊北部。

D匝道以桥梁方式先后分别跨越环岛南路、A匝道、通燕高速、B匝道、C匝道、E匝道、环岛北路、H匝道,以高架桥形式逐渐与燕顺路合并接地,具体见图1。

图1 互通方案布置图

2 跨线桥设计

项目所在区域地震烈度较高,地震动峰值加速度为0.3g,且项目所处位置对快速恢复交通的需求非常迫切,桥梁上部结构设计采用施工快速、整体性好、抗震性能优、弯坡斜适应性强的钢混组合箱梁[1]。由于桥梁跨越道路净空受限,主梁建筑高度适当降低,加之桥梁所在路线平曲线半径小,主梁刚度及受力状态均处于不利工况。为了提高主梁刚度,在主梁箱体内施加体外预应力,钢束采用环氧涂层钢绞线成品索,增加主梁抗弯、抗剪承载力,同时增加主梁的总体刚度,改善小半径、大跨度条件下的受力状态。

2.1 跨路桥梁方案拟定

该项目互通匝道布置空间极为有限,且场区道路交织较多,为了同时跨越多条道路,D匝道需要快速提高纵断跨越道路,然后迅速落地,并实现不同道路间交通流的转向。因此,匝道线形指标较低,匝道平曲线最小半径为60m,最大纵坡为3.8%。

D匝道桥第二联桥梁同时跨越环岛南路、A匝道、通燕高速和B匝道,平曲线半径60m。根据通燕高速保通要求,此处不允许断交。匝道在第二联处与通燕高速交叉角约61.7°,考虑临时墩置于通燕高速硬路肩方案,桥梁上部结构采用35m+54m+35m钢混组合箱梁。D匝道桥第三联桥梁同时跨越C匝道、E匝道、环岛北路,平曲线半径90m,根据地方要求,此处E匝道及环岛北路亦不允许断交。匝道在第三联处与E匝道、环岛北路交叉角分别约为46.4°和34.0°,桥梁上部结构采用35m+54m+35m钢混组合箱梁。D匝道桥第五联桥梁同时跨越H匝道、燕顺路,平曲线半径60m,根据地方要求,此处燕顺路不允许断交;匝道在第五联处与燕顺路交叉角约36.5°,桥梁上部结构采用30m+35m+45m+35m钢混组合箱梁。

综合安全、经济、美观等要求,桥墩采用矩形柱式墩,墩柱刻槽,结构尺寸以满足强度及稳定要求为原则,墩身的水平力按集成刚度法计算。桥台则根据所处位置、地形、地质、台后填土高度及跨径等情况,通过计算选用壁式台。根据具体地质情况,墩台基础采用钻孔灌注桩基础,桩径依据跨径及墩台高度情况确定,桩长依据桩顶反力和地质情况计算确定。同一桥梁尽可能减少桩柱类型,以方便施工。

2.2 钢混组合梁构造尺寸

主梁截面充分发挥钢和混凝土的受力特点,下部主要由开口钢箱梁承受拉力,上部主要由混凝土桥面板承受压力,钢箱梁和桥面板之间采用剪力钉连接。D匝道桥钢箱梁底部宽7.5m,组合梁结构中心线处钢梁高1.8m,桥面板为变截面,厚度为0.3～0.4m,主梁结构中心线处全高2.2m,桥面板宽10.5m。

第二联预制钢梁共分5个制作段,分别为(29+24+30+16+25)m;

第三联预制钢梁共分5个制作段,分别为(21+28+26+28+21)m;

第五联预制钢梁共分7个制作段,分别为(20+20+15+20+25+20+25)m。

钢梁采用工厂制作、焊接的方式,试拼无误后分段运至现场,现场在钢梁拼接口处设置临时支撑,吊装钢梁后,采用高强螺栓连接形成连续钢梁,在箱梁间及翼板处采用临时支架搭设模板浇筑桥面板混凝土,待达到设计强度后张拉混凝土体内预应力和体外预应力,拆除临时支撑完成体系转换,安设桥侧混凝土护栏及浇筑桥面铺装后成桥。

2.3 预应力系统

该桥共设置三联钢混组合梁结构,均为跨路需求。由于场地及匝道线形限制,跨路处桥梁主梁高度需极大限度降低。为了改善结构受力,该桥钢混组合梁墩顶负弯矩区采用桥面板内施加体内预应力的方式减小负弯矩区桥面板受拉;主梁箱体内施加体外预应力以增加主梁抗弯、抗剪承载力和刚度。

3 钢混组合梁结构计算

计算采用Midas Civil进行模拟,组合主梁采用双单元模拟,上层为桥面板结构,下层为钢主梁结构[2]。模拟施工顺序为:(1)钢梁架设;(2)施加桥面板湿重;(3)桥面板刚度形成(张拉预应力);(4)撤掉临时支撑;(5)施加二期恒载;(6)桥面板虚拟单元;(7)施加车辆荷载;(8)收缩徐变10年。

3.1 35m+54m+35m钢混组合梁计算

图2所示为钢混组合梁模型。

图2 35m+54m+35m钢混组合梁模型

钢主梁抗弯承载能力验算:钢梁在基本组合下的正应力分布。列出模型最不利基本组合下的应力结果,见表1、表2及图3～图6。结合受力情况,体外预应力钢束进行了相应调束,使正应力分布相对较为均匀,满足规范要求。

表1 基本组合下主梁应力汇总表

表2 折算应力表

图3 最不利组合钢梁上翼缘正应力(单位:MPa)

图4 最不利组合钢梁下翼缘正应力(单位:MPa)

图5 最不利组合剪应力包络图(单位:MPa)

图6 最大竖向位移(单位:mm)

腹板抗剪承载能力验算:钢梁在基本组合下的最不利基本组合,墩顶断面最大剪应力为110MPa,跨中断面最大剪应力为27MPa,满足规范要求。

体外预应力提升钢混组合梁整体刚度较为明显,桥梁在活载作用下的中跨跨中最大竖向挠度为8mm

3.2 30m+35m+45m+35m钢混组合梁计算

图7所示为钢混组合梁模型。

图7 30m+35m+45m+35 m钢混组合梁模型

钢主梁抗弯承载能力验算:钢梁在基本组合下的正应力分布。列出模型最不利基本组合下的应力结果,见表3、表4及图8～图11。结合受力情况,体外预应力钢束进行了相应调束,使正应力分布相对较为均匀,满足规范要求。

表3 基本组合下主梁应力汇总表

表4 折算应力表

图8 最不利组合钢梁上翼缘正应力(单位:MPa)

图9 最不利组合钢梁下翼缘正应力(单位:MPa)

图10 最不利组合剪应力包络图(单位:MPa)

图11 最大竖向位移(单位:mm)

腹板抗剪承载能力验算:钢梁在基本组合下的最不利基本组合,墩顶断面的最大剪应力为72MPa,跨中断面的最大剪应力为60MPa,满足规范要求。

体外预应力提升钢混组合梁整体刚度较为明显,桥梁在活载作用下的中跨跨中最大竖向挠度为10mm

4 结论

以燕郊西出口改建项目中狭小空间桥梁为研究对象,分析总结跨路小半径、大跨度桥梁的设计方案,得出以下结论:

(1)对于空间有限且需要跨路的桥梁,钢结构主梁适应性强,抗震性能好,可极大降低既有交通的影响。

(2)结合钢混组合梁受力情况,通过调试体外预应力钢束弯起位置和张拉强度,主梁受力较为均匀,提升钢混组合梁整体刚度效果较为明显。对于小半径、大跨度桥梁,可在墩顶负弯矩区采用桥面板内施加体内预应力的方式减小负弯矩区桥面板受拉;主梁箱体内施加体外预应力,以增加主梁抗弯、抗剪承载力和主梁刚度。