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              简支T 梁转连续刚构桥设计
              2010-05-12 

              1 .国内现状及发展趋势

                  近年来,我国山区高速公路发展较快,装配式简支梁桥以其施工快捷、造价便宜而成为首选。对于墩高大于30m 的采用一般简支梁桥式则不适宜了,为满足结构安全及行车的舒适性,则需要增大桥墩刚度和稳定性。国内已建高墩桥梁主要有以下两种代表形式:

                  ( 1) 变截面矩形空心墩, 矩形实体墩, 桥面连续,桥面连续处的强度和刚度显弱,上下部结构变形不协调, 进而形成桥面凹凸不平,甚至出现开裂,影响行车的舒适度和行车的安全。

                  ( 2) 先简支后结构连续的连续梁体系,这种结构体系其施工复杂、技术难度大,工期长、工程造价高。为适应我国目前山区高速公路迅速发展趋势,有必要结合工程实践并通过详细理论分析与研究,确立一种适宜山区高速公路施工快捷方便、结构安全、简化的墩梁固接形式, 以提高行车舒适性的高墩桥- 墩梁固接连续刚构桥结构形式。

                  2 .工程概况

                  本文系对国家重点公路阿(荣旗)深(圳)公路(粤境段)上(陵)至埔(前)段高速公路( 全长135.60km) 老田庄大桥40m 跨径T 梁墩梁固结体系进行的设计,其墩梁固接桥式方案总体布置如图1 所示。

              墩梁固接连续刚构桥方案图


                  老庄田大桥是阿(荣旗)深(圳)公路(粤境段)上(陵)至埔(前) 高速公路跨越深谷的一座山区高架桥梁,是粤赣高速公路(粤境段)桥梁工程中的一座重点工程,作为“墩梁固接连续- 刚构桥”的高墩桥梁试点工程。该桥桥跨布置形式为左幅5 ×40m+25m, 右幅5 ×40m, 全长213.06m( 240.06m) ,左右半幅分修, 2、3、4 号墩处墩梁固接形成上下部结构连续,在1、5 号墩( 台) 处设置浅埋式型钢伸缩缝,其他地方采用桥面连续结构,最大墩柱高为48.5m。40m 预应力混凝土T 梁先简支后墩梁固接形成连续- 刚构体系,共一联,本文选取该4 跨一联单幅桥作为分析对象,介绍简支T 梁转墩梁固接的连续- 刚构桥的设计思路和计算方法。

                  3 技术标准

                  道路等级:高速公路。

                  计算行车速度:100km/h。

                  车道数:双向4 车道。

                  桥面宽度:行车道净宽2-11.75m,中央分隔带宽0.5m,总宽26.0m。

                  设计荷载:汽车超- 20 级,挂车- 120。

                  地震烈度:地震基本烈度Ⅵ度,按Ⅶ度设防。

                  4 .结构设计及分析

                  4.1 结构体系

                  先简支再墩梁固接形成连续刚构体系,按A 类预应力结构进行结构分析和计算,并按规范要求进行应力、强度值控制,并对其关键部位进行变形、裂缝验算。

                  T 梁预制存梁期后吊装就位,通过T 梁底盖梁顶预埋钢板焊接成整体,形成第一次体系转换- 墩梁固接;半幅桥横向连接后,相邻跨T 梁间缝与盖梁预埋钢筋共同浇注, 形成第二次体系转换- T 梁间固接, 形成刚构体系;最后完成T 梁顶面混凝土现浇层二次截面, 及桥面沥青混凝土铺装等二期恒载。

                  预制T 梁在存梁期要求完成至少75%的收缩徐变,形成行车时必需的拱度,但不能过大,并能满足临时施工荷载的强度要求,架梁完毕形成简支体系。在安装支座浇注梁端间缝混凝土达到强度, 形成连续刚构体系。由于T 梁已经完成前期结构受力和变形, 并通过支座与盖梁固结,在形成结构连续时本身自重不形成内力重新分配,仅仅因后期收缩徐变、预应力引起的二次应力重分配及现浇层、铺装等二期恒载阶段作用引起的内力、应力。后期荷载作用于结构时结构为连续刚构体系,按连续刚构桥进行结构计算,整体受力,该体系限制并协调墩顶的位移,其位移变形主要通过柔性桥墩的变形以及联跨端伸缩缝来完成,联跨长度根据计算确定,可以达到120m 以上,甚至达300m。

                  4.2 计算模式

                  全桥共分为130 个节点,124 个单元。计算按照全桥宽建立模型,全桥共有5 片T 梁,实际建模采用形成一个大T 形截面,并且修正与大气接触的截面周边长度与实际截面相等( 见图2) 。实际桥墩为双柱圆形墩,按照截面面积与抗弯惯性矩相等的原则简化为矩形截面。不同的施工阶段梁体与桥墩的连接性质不同, 采用主从约束节点模拟节点连接性质。

               

              全桥整体式平面分析结构离散图



                  T 梁预制时不计入混凝土现浇层的结构高度,落梁后则作为结构受力构造,T 梁下采用单向受压支座临时支撑,形成结构连续并墩梁固接后予以拆除( 焊接成永久支座) ,固接处采用3 对结点刚臂固接形成刚构体系,全桥为连续刚构体系。

                  结构分析程序采用GQJS9.0 平面杆系分析程序进行单片梁及整体平面杆系结构分析和计算, 采用桥梁博士V2.9 按梁格法进行核算。

                  4.3 结构设计

                  计算分析联跨为横向5 片T 梁布置,预制T 梁长39.94m,梁高241cm,梁顶现浇层为10cm 防水混凝土,组合梁高251cm,桥面铺装为9cm 厚沥青混凝土。横向布置见图3。下部结构采用双柱式桥墩, 构造形式见图4。

               

              T梁横向布置



              桥墩构造图


                  联跨上下部结构材料为:固接现浇块采用50 号钢纤维微膨胀混凝土,盖梁、垫石采用40 号混凝土,墩柱和柱间系梁采用30 号混凝土,桩基和桩间系梁采用25 号混凝土。桩基础采用30 号混凝土,为钻( 挖) 孔桩基础,基底嵌入砂岩微风化层不小于3.0m。

                  4.4 结构分析及计算

                  4.4.1 施工(计算)步骤

                  本计算阶段按施工工顺及荷载状况进行模拟计算。桥墩处采用全桥宽5 片T 梁整体计算,并考虑活载横向分配,故整体计算是可靠的。根据活载横向分配计算,控制T 梁受力为汽车荷载最不利状况平均分配值的150%。计算阶段工序步骤如下:

                  ( 1) 下部及基础工程施工,临时支承(台座模拟)及支座安装;

                  ( 2) 立模板,台座浇注预制T 梁混凝土,多单向支承的简支体系;

                  ( 3) T 梁预应力钢束张拉;
                  
                  ( 4) 拆除临时支承, 待强120 天( 即存梁) ,完成75%以上收缩徐变;

                  ( 5) 进行跨梁及梁墩之间结构连续( 墩梁固接) ,永久支座为钢板支座焊接而成;

                  ( 6) 临时支座拆除,形成多跨墩梁固结的连续刚构体系;

                  ( 7) T 梁二次截面( 即桥面现注层浇注施工) ;

                  ( 8) 上桥面铺装等二期恒载;

                  ( 9) 收缩徐变360 天;

                  ( 10) 运营。

                  为对照计算, 考虑3 种工况:

                  工况一, 基本工况- 全桥面预制T 梁阶段计入台座支承;

                  工况二, 单T 梁计入活载横向分配,3 车道偏载;

                  工况三, 不计预加应力。为考虑多种情况,对墩梁固结刚构体系的基本工况。

                  进行3 种对比:

                  工况一, T 梁预制时是否设置临时支撑;

                  工况二, 墩梁固结处单元是否考虑刚臂;

                  工况三, 上二期恒载后进行结构连续。

                  4.4.2 计算结果

                  ( 1) 施工阶段内力图( 见图5~图7)
               

              施工阶段内力图

                  

                  ( 2) 运营阶段内力图( 见图8~图11)

               

              运营阶段内力图   


               

               
                   4.3 计算结果分析

                   工况计算分析结果显示:

                  ( 1) 全桥幅宽作为整体,结构是安全的;

                  ( 2) 第3 种工况下内力图与连续刚构体系的内力图趋势是一致的,说明结构分析模式是正确的,且负弯矩绝对值小,反映了T 梁在转换体系前的收缩徐变及变形的大部分完成对内力的影响很大, 存梁措施是合理的;

                  ( 3) 第1 种工况与第2 种工况主要为整体与最不利单片T 梁的对比,均说明此计算模式在墩梁固结处施工过程中为正弯矩,运营状况下为正弯矩与负弯矩的包络, 负弯矩的绝对值大于正弯矩;

                  ( 4) 运营状况下墩梁固结处负弯矩相对预应力区负弯矩要小的多。

                  对比计算结果显示:

                  ( 1) 是否模拟台座的支撑情况对结构的内力分配影响较大,跨中弯矩差不多大1 倍,且该状况与实际施工不吻合,不采信;

                  ( 2) 墩梁固结处单元考虑与否刚臂对结构内力计算没有明显影响;
                 
                  ( 3) 上二期恒载后进行结构连续的跨中弯矩要小15%,但由于T 梁按简支计算有一定富裕度,能满足该工况要求,两种方案均可行。

                  4.4.4 结构检算

                  墩梁固接部分采用的是普通钢筋混凝土构件,根据规范要求需进行裂缝验算,经计算,裂缝宽度为0.15mm,能满足规范要求,其他检算均满足规范要求。

                  4.5 T 梁相应处理措施

                  ( 1) 由于墩顶T 梁负弯矩比较小,甚至为正弯矩,故桥面现浇层不作特殊设计,仅根据计算需要设置桥面连续的加强钢筋,即设置钢筋φ16 或φ20@15cm即可;

                  ( 2) T 梁根据计算配置的预应力钢绞线不作规格和数量的更改;

                  ( 3) T 梁张拉端头应作成锯齿状,加强新旧混凝土的结合;

                  ( 4) T 梁张拉端头下端间距最好在50cm 以上;
                  
                  ( 5) T 梁张拉端头间结构连续的混凝土应填加微膨胀剂;

                  ( 6) T 梁端横隔板最好加大尺寸,30~50cm 为宜;

                  ( 7) T 梁底和盖梁顶的预埋钢板在T 梁吊装完成后采用侧边四周焊接,焊接质量要求优,在焊接完成后必须采取防护防腐措施;

                  ( 8) 桥台处T 梁与搭板现浇层形成桥面连续。

                  5 .体系优点

                  对高墩中大跨度多联跨的简支结构而言,如40m 跨径T 梁,墩高大于30m 的2 联或多联跨桥,采用预制简支T 梁将墩梁固接形成连续刚构体系,结构简洁安全合理、施工简单方便、造价经济节省、工期短,优点明显:

                  ( 1) 联跨长,伸缩缝少,行车平顺、高速、舒适;
                 
                  ( 2) 墩梁固接,节省了支座,用高墩的柔性适应顺桥向的水平位移,墩梁固接的约束,有利于高墩的稳定和受力;

                  ( 3) 不需设计临时支座,体系转换方便;
                 
                  ( 4) 墩顶负弯矩区采用钢筋混凝土,施工工序少,施工快捷、方便;

                  6 .结语

                  高速公路(粤境段)于2003 年底进行设计,2005年8月竣工, 同年12月底通车,施工时间不到一年半。该墩梁固接连续- 刚构桥在确保结构安全的前提下,简化了固接形式,墩梁固接处采用钢筋混凝土结构,降低了施工的技术难度,方便了施工,大大缩短了工期,增加了桥墩刚度和稳定性,提高了行车的舒适度,获得明显的社会、经济效益。证明了该桥型在山区高墩桥梁中的应用是个理想桥型,也为国内类似的山区高墩桥梁设计提供了较好参考,值得大力推广应用。
               


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