【北洞山京杭运河大桥设计】 京杭运河大桥
时间：2019-05-26 03:26:32 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘 要：北洞山京杭运河大桥主桥布置为66+110+66m三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，采用三向预应力体系；引桥为先张法预应力混凝土空心板。文章以该桥施工图设计为依据对其设计概况、结构特点、预应力体系及施工方案作了简单介绍。
关键词：变截面；预应力；连续箱梁；结构设计；结构分析。
Abstract: the article is introduced the bridge construction drawing design is the basis of its design, structure characteristics, prestressed system and construction scheme.
Key words: variable cross section; prestressed; continuous box girder; structural design; structure analysis
中图分类号：U442.5+9 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
工程概况
北洞山京杭运河大桥是徐州市北洞山渡口撤渡建桥工程中的1座新建大桥，位于徐州市三环北路北侧北洞山附近，距市中心仅8公里。桥址位于原渡口位置，与京杭运河航道中心线夹角为92°。桥位处河道基本规整，水面宽度约110m，为河面较窄处。该段京杭运河该段为Ⅱ级通航航道，通航净空90×7m。大桥桥孔布置为:(3×20)m +(66+110+66)m+(7×20)m，主桥上部结构采用三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，引桥上部采用20m标准跨径的先张法预应力混凝土空心板梁，下部结构主墩采用空心薄壁墩、端部设半圆弧墩头、承台、群桩基础，过渡墩采用柱式墩接盖梁、承台、群桩基础，引桥采用柱式墩台，钻孔灌注桩基础。桥梁全长442.12m，全宽20m。
主要技术指标
（1）设计荷载：公路－I级
（2）设计安全等级：一级
（3）桥梁宽度：全宽20m= 2m(人行道)+净16m(行车道)+2m(人行道)
（4）地震动峰值加速度：0.1g
（5）设计洪水频率：1/100
（6）京杭运河为Ⅱ级航道，通航净空(90×7)m。
图1桥型布置图（单位：cm）
结构设计与分析
3.1结构设计
主桥上部结构为66+110+66m三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，箱梁采用单箱双室，纵、横、竖三向预应力体系，箱梁顶板宽20m，底板宽12m，翼缘板悬臂长为4m。箱梁根部梁高6.4m，跨中梁高2.8m，箱梁高度从距墩中心2.5m处到跨中合拢段处按2次抛物线变化，抛物线方程为Y= 0.001357338X2+2.8m。箱梁顶板厚度为0.28m，底板厚度从0.30m至0.8m按2次抛物线变化，腹板厚度根部0.8m，跨中为0.5m。
图2 箱梁横断面图（单位：cm）
主桥连续箱梁采用挂篮悬臂现浇法施工，箱梁0号段长11.4m，单个“T”构纵桥向划分17个施工节段，悬浇段施工节段划分为（3×2.1＋5×2.5＋4×3＋5×3.5）m。箱梁分两个“T”构同时对称悬臂浇筑，全桥共设两个边跨合拢段和一个中跨合拢段，边跨、中跨合拢段长度均为2m，边跨现浇段长度为9.84m。1～17号节段采用挂篮悬臂浇筑施工，悬臂浇筑梁段最大控制重量1651KN，挂篮设计自重为900KN。采用先支架现浇边跨，然后吊架合拢边跨，再吊架合拢中跨的施工方案。
主桥主墩采用空心薄壁墩，壁厚1m，截面尺寸为10m（横向）×4m（纵向），两端部设半径为2m的半圆弧墩头，基础采用整体式承台，承台尺寸16.5m（横向）×7.5m（纵向）×3.2m，每个承台下设8根直径为1.8m的钻孔灌注桩。
主引桥过渡桥墩采用3根2m（横向）×2.5m（纵向）的柱式墩，上接盖梁，基础采用锯齿式承台，承台厚度为2.5m，每个承台下设6根直径为1.5m的钻孔灌注桩。
引桥采用桩柱式墩台，上接盖梁，钻孔灌注桩基础。
图3主墩立面图（单位：cm）
3.2结构静力分析
主桥上部结构静力分析采用“桥梁博士v3.2”进行，并采用公路桥梁结构分析软件“GQJS9.7”、 “midas Civil”进行验算，分别包括成桥状态下恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变（按3000d计）、支座强迫位移（主墩2cm，过渡墩1cm）、温度变化（整体升降温按±25℃计，梯度温度正温差按T1=14℃、T2=5.5℃）等荷载作用的计算。计算中按有关规范规定对各荷载进行不同的荷载组合，对结构的强度、刚度和应力做了验算。
表1 截面正应力单位：MPa
阶段 中跨墩支点 中跨跨中 边跨墩支点 边跨跨中
上缘 下缘 上缘 下缘 上缘 下缘 上缘 下缘
成桥阶段 9.7 8.8 4.9 9.6 1.7 3.1 8.7 5.8
长期组合 最小 8.2 7.8 4.1 7.7 1.7 2.6 5.9 4.6
短期组合 最大 13.9 11.0 10.9 11.3 3.0 3.5 14.9 8.9
最小 0.5 9.4 1.1 2.2 0.5 1.2 1.1 3.3
主桥上部结构按全预应力混凝土构件设计，分别进行持久状况承载能力极限状态验算和正常使用极限状态验算以及无附加安全系数构件应力验算，各项结果均满足规范要求。正常使用极限状态箱梁各截面最大主拉应力值控制在0.61Mpa以内，小于0.4ftk=1.06Mpa；标准值组合上下缘最大正应力分别为15.5Mpa、11.4Mpa,小于0.5fck=16.2Mpa，承载能力使用极限状态各截面均满足抗弯抗剪计算。
箱梁横向分析分别采用框架和连续板考虑固端影响两种结构模式进行计算，择其大者控制截面设计，并以此配置横向预应力钢束及箱梁顶板横向钢筋。
主桥上部结构施工阶段计算，按照梁段划分、施工顺序及工艺，对每一梁段均考虑挂篮移动就位、浇注混凝土、张拉预应力等三个施工过程。分别对各梁段施工过程中的内力、应力、挠度进行计算和验算。主桥按先边跨合拢，后解除临时锚固，最后进行中跨合拢的顺序考虑，合拢温度控制在15～20℃。
对主桥施工过程中单T进行了下述几种工况的验算，并以此控制临时固结所需的粗钢筋及临时支座的设计。临时支座的承压计算不考虑盆式橡胶支座及墩旁托架参与受力。
（1）最后一个悬臂段不同步施工，一侧施工，另一侧空载；
（2）最大悬臂时，一端承受最大风载，另一侧空载；
（3）一侧堆放材料、机具等按14.5kN/m计，悬臂端作用300 kN集中力，另一端空载；
（4）一侧施工机具动力系数1.2，另一侧0.8；
（5）考虑箱梁自重的不均匀性，一侧悬臂自重增加4％，另一侧悬臂自重减少4％。
3.3预应力体系及钢束布置
主桥箱梁设计采用纵、横、竖三向预应力体系。
箱梁顶板横向预应力采用抗拉强度标准值fpk=1860MPa的3φs15.2钢绞线，BM15-3扁锚，以50cm基本间距布设，在墩顶位置适当加密，交替单端张拉锚固，单根张拉力193.9kN。
箱梁竖向预应力采用JL32高强精轧螺纹粗钢筋，抗拉强度标准值fpk=785MPa，设计张拉力568.2KN，竖向预应力筋以50cm基本间距布设，腹板厚度大于≥70cm梁段每侧腹板按双肢配置，其余梁段每侧腹板均按单肢配置。
主桥箱梁纵向预应力设置顶板束和腹板下弯束，在顶板布置17φs15.2、15φs15.2钢绞线，在腹板布置17φs15.2、15φs15.2钢绞线，在底板及顶板合拢段分别布置12φs15.2、15φs15.2钢绞线，OVM群锚锚固体系，均采用两端张拉，锚下张拉控制应力σcon=0.75fpk=1395MPa，为提高桥梁结构的安全性及耐久性，纵向预应力管道均采用塑料波纹管，采用真空压浆成套技术。
4、施工要点
主桥箱梁两个单T分别采用对称悬臂浇注法施工，合拢后经体系转换成连续箱梁桥。
安装永久支座，浇注临时支座。利用墩顶及墩旁托（支）架浇注箱梁墩顶0号块件，用粗钢筋形成梁墩固结，墩顶块件混凝土应一次浇注完成。箱梁墩顶0号块件体积大，预应力孔道及钢筋密集，施工中应确保预应力孔道定位准确，注意混凝土振捣密实，确保混凝土施工质量。浇注混凝土应采取减少水化热的有效措施，避免发生温度收缩裂缝。
安装施工挂篮，从1号梁段至17号梁段采用挂篮逐段悬臂对称、平衡浇注施工，张拉各阶段预应力钢束，各梁段混凝土应一次浇注完成，挂篮应在钢束张拉完成及孔道压浆达到设计强度后方可向前移动。各悬臂单T完成后，相邻两悬臂端相对竖向挠度差不大于2cm。
为保证竖向预应力筋能充分发挥作用，竖向预应力筋必须进行复拉，复拉时间间隔为15～20天。竖向预应力张拉后，应对竖向预应力钢筋的永存应力做抽检，抽检数不得小于总钢筋根数的5％。
各单T浇注至最大悬臂，浇注边跨合拢段，解除临时固结，浇注中跨合拢段，完成体系转换，成为三跨连续梁。合拢段采用外刚接劲性骨架合拢，合拢段混凝土的浇注应在一天气温最低时进行。
5、本桥结构特点
5.1悬浇钢束设计
顶板悬浇钢束设计一般有三种方案：一是完全采用直束，该种方案施工时穿束方便，便于施工，腹板的主拉应力控制较多的依赖竖向预应力钢筋，而工程中竖向预应力钢筋施工质量较难保证，腹板容易出现裂缝；二是完全采用下弯束；三是采用下弯钢束与直束相结合的方法。本桥设计中顶板悬浇钢束采用直束和下弯钢束结合的方案，既考虑施工方便又很好地控制了主拉应力，防止箱梁腹板出现剪切斜裂缝。
5.2零号块设计
变截面连续梁零号块一般采用实体形式，零号块混凝土体积大，钢束及普通钢筋布置复杂，混凝土浇注时产生大量水化热，很容易产生有害裂缝，造成结构永久性伤害，本桥零号块采用三薄壁结构，降低了混凝土浇注产生的水化热，避免了零号块产生有害裂缝，保证墩顶永久支座位置受力，兼顾临时支座位置受力。
图4 零号块立面图（单位：cm）
5.3真空灌浆技术
本桥纵向预应力钢束全部采用塑料波纹管，真空压浆技术；常规设计经常采用预埋金属波纹管成孔，常规压浆施工，容易造成金属波纹管孔道压浆不密实，金属管及钢束容易锈蚀，严重影响结构耐久性；真空压浆技术克服了以上缺点，而且塑料波纹管管道摩擦系数比金属管小的多，能减少预应力损失，增加有效预应力，节省预应力钢材，降低造价。
6、结语
北洞山京杭运河大桥，主桥上部结构采用(66+110+66)m三跨预应力混凝土变截面连续箱梁,三向预应力体系；以上主要介绍了该桥的结构设计特点、钢束布置、施工要点，可供广大设计者在类似桥梁设计中参考，目前该桥顺利施工中。
参考文献
[1]JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》［S］.北京：人民交通出版社.
[2]JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》［S］.北京：人民交通出版社.
[3]JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》［S］.北京：人民交通出版社.
[4]公路桥涵设计手册《预应力技术及材料设备》［S］.北京：人民交通出版社.
[5]公路桥涵设计手册《梁桥》［S］.北京：人民交通出版社.
作者简介：
邢洪扬，生于1978年，男，山东省郯城县人，工程师；主要从事道路桥梁设计工作，为注册咨询工程师。
