涪陵烏江二橋螺旋匝道橋墩梁固結(jié)設(shè)計

涪陵烏江二橋螺旋匝道橋墩梁固結(jié)設(shè)計

1項目總結(jié)及重要邊界條件1.1陵江路—工程概況涪陵吳江二橋橋橋的交叉口是武陵吳江二橋工程的重要組成部分。位于烏江與長江交匯處附近，距水面約500米。在涪陵主城區(qū)，俯瞰著連接烏江二橋建設(shè)后的濱江路，它是長江的主要通道。西橋頭立交的建設(shè),實現(xiàn)了涪陵烏江二橋與主城區(qū)及濱江路的連接。西橋頭立交分兩期實施。一期工程包括的西橋頭立交引橋和螺旋匝道;二期工程包括連接主城區(qū)的A、B匝道。其中,涪陵烏江二橋螺旋匝道是一個非常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的曲線匝道橋。1.2西橋墩互通立交橋位場地立交擬建區(qū)地貌單元屬河谷斜坡地貌。場地位于烏江左岸,因護(hù)堤工程施工原始地形已被改變,護(hù)堤高20余米,堤頂高程179.15m,堤內(nèi)高程約175m,為人工回填,岸坡已進(jìn)行護(hù)坡處理。西橋頭立交螺旋匝道橋位場地范圍地面高程172.23m,相對高差3.05m,地形平坦。橋位區(qū)內(nèi)多被第四系全新統(tǒng)填筑土及亞粘土覆蓋,土層厚度達(dá)18～25m,采用中風(fēng)化泥巖作為基礎(chǔ)持力層。1.3標(biāo)準(zhǔn)(1)道路等級標(biāo)準(zhǔn)城市道路雙向4車道。(2)啟動速度30km/h。(3)車輛負(fù)荷等級城-A級,人群荷載4.0kN/m2。(4)橋面寬度0.5m(防撞護(hù)欄)+9.0m(車行道)+3.0m(中央分隔帶)+9.0m(車行道)+2.0m(檢修道)。(5)縱、橫斜傾斜全橋位于4.5%單向縱坡。車行道為單向4.0%超高橫坡,檢修道為單向1.0%橫坡。(6)平曲線螺旋匝道道路中心線位于R=45.0m的圓曲線上。1.4橋墩立交與排水箱涵布置西橋頭立交位于人工改造后的場地上,地形地貌和已建成的諸多構(gòu)筑物對立交結(jié)構(gòu)形成制約因素(圖1),主要包括:(1)立交占地范圍及周邊建筑。受場地周邊已建房屋建筑的限制,僅能以現(xiàn)有空地中央為中心,約60m半徑的范圍內(nèi)修建西橋頭立交。考慮到立交橋面寬度及立交對周圍建筑的最小影響距離,螺旋匝道道路中心線的半徑不得大于45m。(2)濱江路與烏江二橋引橋高差。由于濱江路與烏江二橋引橋高差達(dá)34m,并且受立交道路中心線半徑的限制,因此僅能通過設(shè)置1個雙層螺旋環(huán)形匝道橋通過展線,均勻升坡?？朔卟顏斫鉀Q濱江路與烏江二橋引橋的銜接問題。(3)地下排水箱涵。在螺旋匝道橋位區(qū),有1個與烏江防護(hù)大堤同時建成的排水箱涵自西向東橫穿,埋深為15～20m,在考慮橋跨布置時,須保證基礎(chǔ)與箱涵之間足夠的安全距離。(4)景觀。本立交地處烏江與長江匯合口附近。結(jié)合橋址特點,應(yīng)具備陪襯主橋、融合江岸、協(xié)調(diào)橋頭建筑的景觀功能,發(fā)揮橋頭立交在橋梁環(huán)境景觀的特殊作用,使之成為一個靠江岸的標(biāo)志性建筑。2螺旋曲線方案的研究2.1橋型方案的確定方案構(gòu)思的理念應(yīng)以人為本,力求創(chuàng)新,因地制宜,既要考慮滿足交通功能,又要顧及經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響等因素,結(jié)構(gòu)造型力求美觀、新穎、簡潔大方。因此在對烏江二橋西橋頭立交的橋型方案研究中,充分尊重、認(rèn)真分析現(xiàn)有周邊環(huán)境,注重城市景觀組織,從功能和美學(xué)的角度,把橋頭立交與引橋作為一個相互關(guān)聯(lián)的建筑群進(jìn)行綜合研究。既能保證車輛行駛的安全、便捷、舒適,又能使橋頭立交構(gòu)成一個與主橋相協(xié)調(diào)、與環(huán)境相適應(yīng)、美觀、合理、高效的江岸建筑物,是西橋頭立交設(shè)計的基本原則。2.2結(jié)構(gòu)布置方案比選(1)方案Ⅰ——單墩大懸挑橫梁整體連續(xù)結(jié)構(gòu)方案。本方案將橋墩均設(shè)置于內(nèi)、外幅匝道之間(圖2,3),內(nèi)、外幅箱梁通過大懸挑橫梁與橋墩連為一體實行墩梁固結(jié),整體協(xié)同受力,內(nèi)、外幅主梁在全橋范圍內(nèi)均為結(jié)構(gòu)連續(xù)。(2)方案Ⅱ——門形墩多跨連續(xù)梁方案。本方案匝道設(shè)計起、終點與方案Ⅰ相同。橋墩采用常規(guī)的門形框架墩,橋墩橫梁與主梁之間受力是分離的,主梁的豎向荷載通過設(shè)置在墩橫梁上的支座傳遞給橋墩(圖4)。主梁沿縱橋向在每個圓周分成4聯(lián),聯(lián)間設(shè)置伸縮縫。每聯(lián)為3～4跨連續(xù)箱梁。根據(jù)橋位處建設(shè)條件,綜合考慮經(jīng)濟(jì)適用、景觀效果等因素,方案Ⅰ被確定為推薦方案。方案比較見表1。3螺旋曲線設(shè)計要點和結(jié)構(gòu)計算分析3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1內(nèi)、外幅匝道結(jié)構(gòu)螺旋匝道沿道路中心線展開為2層26跨。由上至下,第2層為第1～13跨,第1層為第14～26跨,單層匝道沿道路中心線的橋跨布置為:(21.94+23+4×20+20.3+20+20.3+25+23+3×22.5+22)m。內(nèi)、外幅箱梁中心線半徑分別為38.25m、51.0m。內(nèi)、外幅匝道間距2.0m,在內(nèi)、外幅匝道橋之間設(shè)置了13個橋墩。通過27個沿橋墩徑向設(shè)置的墩橫梁將內(nèi)、外幅匝道箱梁與橋墩相連。其中1～25號墩橫梁將內(nèi)、外幅箱梁與橋墩連為一體實行墩梁固接,僅在0號、26號墩橫梁上設(shè)置拉力支座。內(nèi)、外幅匝道在整個橋跨范圍內(nèi)均為連續(xù)結(jié)構(gòu),僅在螺旋匝道起始端與引橋交接處、結(jié)束端與路堤引道交接處各設(shè)1道伸縮縫。內(nèi)、外幅箱梁通過平轉(zhuǎn)使頂面傾斜實現(xiàn)超高橫坡。3.1.2預(yù)應(yīng)力分配方式不合理主梁采用內(nèi)、外雙幅分離式結(jié)構(gòu)(圖5),為單箱單室截面,內(nèi)幅箱梁頂板寬11.5m,外幅箱梁頂板寬10.0m;內(nèi)幅箱梁底板寬6.5m,外幅箱梁底板寬5.0m,梁高均為2.0m。內(nèi)、外幅箱梁翼緣板懸挑寬均為2.5m,頂板厚均為25cm,底板厚均為20cm,腹板厚均為45cm。在距各實心段一定范圍內(nèi),箱梁的頂、底板及腹板分別加厚以增大抗彎、剪、扭的承載內(nèi)力。經(jīng)過反復(fù)分析比較,主梁按普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計,主梁內(nèi)不配置縱向預(yù)應(yīng)力。其原因如下:(1)由于不受橋面凈空限制,主梁的梁高可以做到2m,而最大跨徑僅達(dá)到28.3m,主梁高跨比大,在一般鋼筋混凝土箱形截面連續(xù)梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑不宜大于30m的合理范圍之內(nèi),主梁作為鋼筋混凝土受力構(gòu)件是合理可行的。(2)內(nèi)、外幅箱梁中心線半徑分別為38.25m、51.0m,若在如此小的半徑張拉縱向預(yù)應(yīng)力,沿程的摩阻損失將非常大,這樣勢必降低預(yù)應(yīng)力鋼材的使用效率。(3)預(yù)應(yīng)力鋼束的徑向力對小半徑曲線梁往往造成很多不利影響。在箱梁構(gòu)造上,預(yù)應(yīng)力筋的徑向力使腹板必須加厚,從而增加了整個結(jié)構(gòu)的自重;在整體受力上,預(yù)應(yīng)力鋼束的徑向力加大了墩柱的彎矩,由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的二次效應(yīng)對結(jié)構(gòu)造成不利影響;在主梁的變形上,由于預(yù)應(yīng)力鋼束沿梁高度方向的豎向彎曲,使徑向力的作用點總是沿梁高度方向在變化,當(dāng)其作用點與主梁截面剪切中心不重合時,鋼束徑向力就會對主梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用,不僅增大了截面扭矩、而且會造成曲線梁扭曲變形不一致,使截面產(chǎn)生向內(nèi)或向外偏轉(zhuǎn)。橋墩與主梁通過墩橫梁連接,墩橫梁內(nèi)設(shè)有橫穿橋墩的預(yù)應(yīng)力鋼束,以增大截面的抗彎承載能力。螺旋匝道橋墩均采用2.0m×3.0m等截面矩形墩,墩高27～39m,所有橋墩沿道路中心線徑向設(shè)置。樁基礎(chǔ)采用直徑為4.0m單根樁基礎(chǔ),樁長23～39m。3.2結(jié)構(gòu)計算與分析3.2.1成橋階段的有限元模型采用通用有限元分析程序建立涪陵烏江二橋螺旋匝道整體有限元模型。計算模型中,結(jié)構(gòu)各構(gòu)件包括內(nèi)、外幅箱梁,橋墩,墩橫梁及樁基等各組桿件均采用三維梁單元模擬?？紤]到樁基將穿過厚20～33m覆土層及弱風(fēng)化帶嵌入基巖持力層中,不可忽視樁在土中水平向的位移對墩內(nèi)力的影響,故將樁—土共同作用在整體模型中同時考慮。成橋階段整體計算考慮的工況有:恒載、混凝土收縮徐變、汽車活載、人群荷載、整體溫度和梯度溫度作用、車輛離心力和制動力、引橋支座摩阻力。同時,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體靜力穩(wěn)定性分析。3.2.2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析對結(jié)構(gòu)的三維整體分析計算分析結(jié)果表明:整體結(jié)構(gòu)受力體系明確,結(jié)構(gòu)受力滿足設(shè)計功能要求。螺旋匝道結(jié)構(gòu)新穎,結(jié)構(gòu)受力空間效應(yīng)非常明顯。作為整體連續(xù)結(jié)構(gòu),雖受力較復(fù)雜,但傳力途徑清晰流暢。將橋墩均設(shè)置于內(nèi)、外兩幅匝道之間提升了結(jié)構(gòu)的使用效率。由于螺旋匝道墩梁固接、整體共同受力的特點,在恒載作用下,整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布是勻順的。橋墩雖然較高,但對車輛荷載偏載作用下以及汽車制動力、離心力、作為引橋的共用墩的墩頂支座摩阻力作用下,產(chǎn)生的不利因素反應(yīng)不敏感,對溫度作用的反應(yīng)較敏感。由于螺旋匝道墩梁固接,不設(shè)支座,全橋之間不設(shè)置伸縮縫,在各種工況作用下,主梁的變形是連續(xù)的。這樣的構(gòu)造避免了曲線梁在汽車離心力和制動力長期反復(fù)作用下,主梁向曲線外側(cè)及汽車制動力方向水平錯位對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的病害。整體穩(wěn)定方面,在考慮結(jié)構(gòu)本身自重并在橋面施加活載的情況下,結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定安全系數(shù)為27.1。失穩(wěn)模態(tài)為:橋墩徑向側(cè)彎。本橋成橋狀態(tài)的穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)大于4,滿足規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定。這就說明了雖僅在內(nèi)、外兩幅匝道之間設(shè)立橋墩,但結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性是有充分保證的。4空間計算分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用經(jīng)過為期10個月的建設(shè),螺旋匝道的主體結(jié)構(gòu)施工已經(jīng)順利完成(圖6)。涪陵烏江二橋螺旋匝道結(jié)構(gòu)形式新穎,空間受力特性明顯。通過對該匝道的空間計算分析和詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)