大跨度变截面悬臂浇筑连续梁桥设计分析.pdf

-92-摘要：高速公路在跨越常规交通干线或通行航道时，桥下净空需求较高，一般需设置大跨度桥梁进行跨越。悬臂浇筑的预应力混凝土连续梁桥相比于钢结构桥梁，经济优势明显，且具有美观、耐久性好等多种优势。以某高速公路上跨运河的大跨度变截面悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥为例，采用有限元软件进行建模分析，介绍了设计过程中需考虑的关键点，为相似工程提供借鉴。关键词：大跨度；变截面；悬臂浇筑；连续梁中图分类号：U442文献标识码：ADesign analysis of long-span variable cross-section cantilever continuous beam bridgeJIANG Kai1,XIA Lin1,ZHANG Zhuhao2（1.Shandong High-speed Heze Development Co.,Ltd.,Shandong Heze 274000 China;2.Shandong Urban Construction Vocational College,Shandong Jinan 250103 China）Abstract：Whentheexpresswaycrossesthetraffictrunklineorchannel,thereisahighdemandforclearanceunderthebridge,andlarge-spanbridgesaregenerallyrequiredforcrossing.Comparedtosteelstructurebridges,cantilevercastprestressedconcretecontinuousbeambridgeshavesignificanteconomicadvantages,aswellasvariousadvantagessuchasbeautifullandscapeandgooddurability.Takingalarge-spanvariablecross-sectioncantilevercastprestressedconcretecontinuousbeambridgespanningacanalonacertainhighwayasanexample,finiteelementmodelinganalysisisusedtointroducekeypointstobeconsideredinthedesignprocess,providingreferenceforsimilarprojectsKey words：largespan;variablecross-section;cantilevercasting;continuousbeam0 引言随着我国高速公路建设规模扩大，桥梁结构呈现出多型化的发展趋势，在跨越交通干线或通航航道时，一般需设置大跨度桥梁进行跨越。相比于钢结构桥梁、钢-混组合桥梁等结构形式，变截面预应力混凝土连续梁桥具有明显的经济优势，且施工工艺成熟，交通影响较小，景观效果美观，运营养护较少1。同时悬臂浇筑工艺有效减少了施工过程中对被交道通行的影响，成为桥梁工程师广泛采用的结构形式和施工方案。1 桥梁概况某高速公路桥梁上跨梁济运河，交叉角度115，梁济运河航道等级为二级，通航净宽70m，根据防洪评价相关要求，交叉处主桥跨径采用（65+110+65）m。高速公路为双向四车道，因交叉处梁济运河为南水北调重要输水通道，为确保水质安全，采用双层防撞护栏。桥梁宽度31.5m，横断面布置：2（0.58m防撞护栏+1.42m检修道+0.5m防撞护栏+12.25m行车道+0.5m防撞护栏+0.5m中央分隔带）。主桥下部结构采用空心矩形桥墩，基础采用直径1.8m灌注桩加承台。桥型布置见图1。图 1 桥型布置/cm200400400200梁济运河11 0006 5006 5002 结构设计主桥上部结构采用预应力混凝土变截面连续箱梁，三向预应力体系，按全预应力混凝土构件设计，挂篮悬臂浇筑施工2。断面采用单箱单室直腹板箱梁型式，中支点处梁高6.5m，底板厚0.8m，跨中处梁高3m，底板厚0.32m，箱梁中心高度、底板下缘及上缘曲线均按二次抛物线变化。顶板全宽15.25m，底板全宽8.25m，悬臂长度3.0m，顶板厚大跨度变截面悬臂浇筑连续梁桥设计分析姜 凯1，夏 琳1，张珠皓2（1.山东高速菏泽发展有限公司，山东 菏泽 274000；2.山东城市建设职业学院，山东 济南 250103）收稿日期：2023-01-26作者简介：姜凯（1986），男，山东曹县人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为桥梁结构设计及工程养护管理。2023 年第 4 期山东交通科技-93-度0.3m，跨中区域腹板厚度0.6m，中支点附近腹板厚度加厚至0.9m。端横梁厚度3.0m，中横梁厚度4.0m。箱梁断面布置见图2。20505050503090909090H-15.25H-15.252001501001001001502001003508251 52575253502%H图 2 箱梁断面布置/cm箱梁纵向分块：0#块节段长13m，每个悬浇T纵向对称分为14个阶段，梁段数及梁段长从根部至跨中分别为23.0m，53.5m，64m；边跨支座处箱梁为支架现浇，节段长度为9m；边中跨合拢段长均为2m。上部结构1/2立面分块布置见图3。图 3 1/2 立面分块布置/cm30090020064006 500235023001 300/21 300/22300235033506400200/211 000/233501514131211109876543210012345678910111213143 有限元受力分析采用桥梁博士V4对主桥上部结构进行有限元分析，全桥共划分为80个单元，81个节点。3.1 计算参数（1）混凝土：采用 C 50 混凝土，弹性模量为3.45104MPa，泊松比为0.2，线膨胀系数为1.010-5/，抗压强度设计值为22.4MPa，抗拉强度设计值为1.83MPa。（2）钢绞线：采用公称直径15.2mm钢绞线，弹性模量为1.95105MPa，抗拉标准强度为1860MPa，松弛系数为0.3，钢材容重78.5kN/m3，锚具变形及钢束回缩值6mm。主桥结构静力计算包括施工阶段和运营阶段分析，施工阶段荷载包括结构恒荷载、混凝土收缩徐变和最大悬臂状态挂篮掉落；运营阶段荷载包括汽车荷载、基础不均匀沉降和温度荷载3。3.2 验算内容主桥验算考虑结构上可能同时出现的作用，按承载能力极限状态、正常使用极限状态进行组合，取其最不利组合效应进行设计4，组合工况见表1。表 1 验算荷载组合工况荷载组合施工内容承载能力极限状态基本组合正常使用极限状态频遇组合正常使用极限状态准永久组合3.3 承载能力极限状态验算承载能力极限状态验算包含最大抗力、最小抗力及其对应的内力，计算结果见图4。图 4 组合抗弯内力包络图/（kNm）151 3001 223 456-417 737-1 015 907-953 715691 831-412 062-27 383-1 193 737-214 055-412 062-964 227-953 715-417 73726 812-639 991-53 691-19 05490 931250 160-81 894箍筋按4肢直径16mm钢筋、全桥间距10cm进行抗剪计算，剪力计算时考虑竖向预应力失效50%，计算结果见图5、图6。图 5 组合最大剪力包络图/（kNm）图 6 组合最小剪力包络图/（kNm）在各种不利荷载组合工况下，承载能力验算满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG33622018）相关要求。3.4 应力与抗裂验算正常使用极限状态下对上部结构进行正截面和斜截面抗裂验算，计算结果见图7、图8。图 7 组合正应力包络图/MPa14.117.267.967.8914.1112.840.974.7212.725.192.29-0.242.560.943.20-0.341.6513.2612.9914.4110.7013.6012.9914.075.228.074.694.698.70图 8 组合主应力包络图/MPa-0.23-1.06-0.51-0.03-0.21-1.01-0.5412.1213.4713.339.1512.5313.4712.92在各种不利荷载组合工况下，应力及抗裂验算满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG33622018）相关要求。3.5 钢束最大拉应力验算钢束均采用两端张拉,张拉控制应力取1375MPa。验算结果表明，钢束最大应力为1200MPa，使用阶段预应力钢筋拉应力满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG33622018）相关要求。（下转第96页）熊永松，王 鹏：大跨径系杆拱桥更换吊索计算分析-96-果：第一阶振型频率为0.440Hz，第二阶振型频率为0.813Hz，第三阶振型为1.017Hz，第四阶振型频率为1.430Hz，第五阶振型频率为1.482Hz。上述结果中，第一阶振型模态为拱肋面外侧弯，第二阶振型模态为主拱及桥面系面内反对称竖弯，符合下承式系杆拱振型一般规律。相比较于未拆除吊索成桥状态，振型基本相同，证明结构刚度变化不大。4 结语（1）拆除顺桥向一对吊索工况下，拱肋、吊索及系杆梁应力变化均相对较小，预应力系杆梁仍有一定压应力储备，结构整体受力较为均衡。（2）吊索断裂属于短时荷载，具有显著的动力效应，应考虑一定的冲击系数，但是计算复杂，本次仅按静力计算考虑，根据上述计算可初步判断，发生一对吊索断裂，不致造成结构整体失效垮塌。（3）拆除一对吊索，对系杆拱总体稳定性影响较小。前5阶失稳模态未出现局部失稳情况，系杆拱结构成桥最小稳定系数4.81，模态稳定系数与成桥状态基本相同。（4）在动力特性分析方面，第一阶和第二阶振型模态符合下承式系杆拱振型一般规律。相比较于未拆除吊索成桥状态，振型频率基本相同，证明结构刚度变化不大。参考文献：1 范立础.桥梁工程M.北京:人民交通出版社股份有限公司,20042 蔡敏.浅谈下承式系杆拱结构设计及计算分析J.城市道桥与防洪,2019（5）:127-129.3 谢朋林.钢管混凝土系杆拱桥计算分析与研究D.合肥:合肥工业大学,2016.4 马建磊,郭鹏,张博,等.清水河大桥钢丝绳骑跨式吊索制作工艺及质量控制J.公路,2017,62（4）:113-117.（上接第93页）3.6 挠度验算使用阶段挠度计算考虑荷载长期效应的影响，消除结构自重产生的长期挠度后，挠度长期增长系数为1.425，主梁最大挠度见表2。结构挠度小于容许值，刚度满足要求。表 2 主梁最大挠度位置挠度/mm跨径/m容许挠度/mm边跨跨中15.565108中跨跨中43.01101833.7 临时锚固验算工况模拟为悬臂最大阶段时，单侧掉挂篮和13#块，同时考虑对称侧风升举力，升举力根据箱梁底部面积，顺桥向每延米为13.5kN，计算得到临时锚固截面最大拉力为14900kN，临时锚固钢筋采用32mm高强精轧螺纹钢筋，计算需要28根，设计采用30根，满足临时锚固要求。4 结语采用桥梁专业软件桥梁博士V4建立杆系有限元模型，对主桥施工阶段及运营阶段进行详细计算分析，包括承载能力极限状态抗弯和抗剪验算，正常使用状态应力、抗裂及挠度验算。计算结果表明，主桥强度、应力、刚度验算均满足要求，其结构尺寸及验算内容可为类似工程提供参考。参考文献：1 高吉才,金庆利.大跨径PC变截面连续梁设计要点探讨J.中外公路,2010,30（6）:125-128.2 杨宝山.变截面连续梁的大节段支架现浇与挂篮悬浇对比分析J.公路交通科技,2013,9（6）:117-119.3 周军生.变截面连续梁式桥设计中应当注意的几个问题J.公路交通科技,2001（4）:63-65.4 郭永飞，李东潇.某跨高速变截面连续梁桥设计J.山东交通科技,2022（5）:124-125.