肥西桥50+70m的独塔混凝土斜拉桥报告

PAGE肥西县派河三桥设计复核(施工图设计阶段)同济大学桥梁工程系2005-11-27项目名称：肥西县派河三桥设计复核项目负责人：石雪飞教授计算：邢云徐德志苏魁李小祥复核：阮欣审核：石雪飞同济大学桥梁工程系2005-11-27PAGE27目录1桥梁概况 11.1气象和水文 11.2桥型方案 11.3施工方法 32复核依据 42.1复核标准 42.2基本资料 42.3设计技术标准 42.4设计复核基本数据 52.4.1材料 52.4.2荷载 53设计复核内容 64上部结构计算复核 74.1结构离散和计算说明 74.2规范容许值 74.3承载能力极限状态截面强度计算 84.4持久状况正常使用极限状态抗裂计算 104.5持久状况正常使用极限状态挠度计算 114.6持久状况构件的应力计算 124.7短暂状况构件的应力计算 154.8拉索应力计算 195下部结构计算复核 205.1钻孔灌注桩单桩容许承载力计算 205.1.1桥位处工程地质基本条件 205.1.2全桥墩台基础情况 215.1.3单桩容许承载力 215.2主墩计算复核 225.2.1作用在中墩上的荷载 225.2.2中墩承台验算 235.2.3中墩墩身强度验算 245.2.4主桥墩桩基础承载力和强度验算 24桥梁概况派河三桥位于肥西县上派镇普贤路（环城北路）上，分别与紫蓬路、滨河路相交，连通方兴大道和合肥经济开发区。该桥跨越派河，派河上已形成了合安路桥、巢湖路桥两座桥梁，派河三桥位于这两座桥梁的下游。本桥建成后将成为肥西县城一道标志性建筑，与周边派河景观一道形成肥西县一道靓丽的风景线，该桥全长126.00米。气象和水文本桥位区属暖温带半湿润季风气候与北亚热带湿润季风气候过渡带，区内总的气候特征：气候温和、四季分明、雨量适中、光照充足、无霜期较长等特点。区内年平均气温为14.5～15.3℃。极端最高日平均气温（7月）为42℃,极端最低气温（元月）为-22℃。区内年日照时数为2173.7～2425.3小时，年无霜期在210～222天左右。区内雨量充沛，降水量年际变化较大，多年平均降水量在821.3～985.3mm，丰水年降水量在1583mm，旱年降水量在471.9mm，且降水年内分布不均，6至9月降水量较大，11月至翌年2月降水量最小。区内降水具有降水量大，降水延续时间长，短时间降水强度大等特征。主汛期一般在6～9月份，洪峰多出现在7～8月份，年平均蒸发量1421.9～1613.2mm，相对湿度为72～77%。桥型方案总体布置跨径组合50+70m的独塔混凝土斜拉桥。主跨侧为跨度70m的预应力混凝土箱梁，10根斜拉索；边跨为跨度50m的预应力混凝土箱梁，10根斜拉索。斜拉索采用单索面扇形布置。总体布置如图1-1。总体布置主梁主梁采用预应力混凝土梁，边跨采用压重，桥面全宽32m，主梁梁高2.8m，采用混凝土封闭箱梁，顶板设2.0%的横坡，底板采用流线型。主梁采用单箱五室截面，混凝土标号为C50，主梁顶板厚25cm，主跨底板厚25cm，边跨底板厚45cm，腹板厚45cm，在斜拉索两侧设置两道腹板以利于箱梁的纵向传力，腹板厚为45cm。混凝土锚跨区段纵向与索间对应。主跨每6.0m设置一道横隔板，板厚60cm；边跨每4.0m设置一道横隔板，板厚60cm。考虑本桥边跨较小，所以对边跨段箱内填充铁砂混凝土压重，以增强其对主跨的锚固作用。主梁采用三向预应力体系，纵向采用12Ф15钢绞线，横向采用19Ф15和5Ф15的钢绞线，竖向采用直径32mm精轧螺纹钢筋。主塔为了减小主塔塔身的占地空间及对视觉的影响，主塔采用独柱形式，结构上采用塔、梁、墩固结方式。桥面以上塔高为45.0m。塔柱采用两根直径2m的圆柱形钢管混凝土，在索塔锚固区钢管合二为一，采用椭圆形截面形式。梁下塔墩为φ6m的实心圆柱形钢筋混凝土塔身。桥面以上塔柱采用钢管混凝土钢管壁厚为20mm，材料为A3钢，管内填充C50微膨胀混凝土。2m直径钢管于工厂分段制造后，在现场焊接接长。索塔锚固区斜拉索的锚固方式采用内壁锯齿形式。塔上斜拉索的锚固间距为1.5m。主塔基础采用19根Ф1.8m钻孔桩。承台为圆形，承台半径为8.7m，高5m。斜拉索斜拉索采用单索面扇形密索布置。斜拉索采用平行钢铰线索，钢绞线的标准强度为Rby=1860MPa，规格为2×30Ф15～2×60Ф15。斜拉索在主梁上的横向间距为1.0m，顺桥向两侧钢索为不对称的扇形布置。主跨标准索距6.0m，边跨索距为4.0m，全桥共有斜拉索20对(40根)。施工方法⑴利用草袋围堰筑岛，填筑派河中主塔基础占用区域，将其标高填至地面，以利主塔钻孔桩施工。⑵待钻孔桩施工完毕，进行大开挖，浇筑承台砼及塔墩身砼。在主塔基础施工的同时进行辅助墩，边墩的施工。⑶在预应力砼梁范围内安装临时支架，并在支架上分段浇筑。⑷采用自升式塔吊直接在主塔墩处分节吊拼上塔柱钢管，且在钢管内填筑50号微膨胀砼。⑸对称张拉A1、J1斜拉索。⑹重复第5施工步骤，由内到外依次张拉，直到张拉最后一对斜拉索。=7\*GB2⑺进行桥面施工，调整全桥索力，主桥施工完毕。复核依据复核标准《建筑工程施工图设计文件审查暂行办法》（建设[2000]41号）中华人民共和国建设部2000年2月17日主要规范标准1．《公路工程技术标准》（JTGB01—2003）；2．《城市桥梁设计标准》CJJ11-93；3．《城市桥梁设计荷载标准》CJJ77-984．《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2004）；5．《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）；6．《公路工程抗震设计规范》（JTJ004—9）；7．《公路工程桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024—85）；8．《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041－2000）；9．《公路斜拉桥设计规范》（JTJ027-96）基本资料《肥西县派河三桥施工图设计》 安徽省公路勘测设计院设计技术标准设计荷载：城市-A级。设计行车速度：40公里/小时。桥面宽度：4.0m(人行道)+3.0m(慢车道)+0.5m(钢护栏)+7.0m(车行道)+3.0m(塔柱拉索区)+7.0m(车行道)+0.5m(钢护栏)+3.0m(慢车道)+4.0m(人行道)=32.0m。地震烈度：桥位处地震动峰值加速度为0.10g，相当于基本烈度Ⅶ度，按Ⅷ度设防。设计复核基本数据材料混凝土主桥预应力混凝土箱梁：50号混凝土主塔混凝土：50号混凝土主桥主墩：40号混凝土钢材纵向预应力钢束：ASTM416-97a之270级钢绞线，标准强度1860Mpa横向预应力钢束：ASTM416-97a之270级钢绞线，标准强度1860Mpa竖向预应力钢束：单肢高强精轧螺纹钢，标准强度750Mpa主塔钢管：A3钢斜拉索斜拉索采用平行钢铰线索荷载上部结构恒载：箱梁结构自重，混凝土容重取26kN/m3；桥面铺装：沥青混凝土容重取23kN/m3，桥面系混凝土容重取24kN/m3；活载：城—A级，人群荷载3.5kN/m2；过桥管线：按50kN/m考虑。附加荷载：非线性温度：纵向计算时桥面板按升降温±5℃；支座沉降：考虑两边墩最不利情况下相邻支座不均匀沉降±1cm；整体温度：按升30℃，降15℃考虑。设计复核内容根据设计院要求，施工图设计阶段应对方案进行以下内容的计算和分析工作：承载能力极限状态截面强度计算复核；持久状况正常使用极限状态抗裂计算复核；持久状况正常使用极限状态挠度计算复核；持久状况构件的应力计算复核；短暂状况构件的应力计算复核：按施工过程,进行截面应力计算复核；拉索应力计算复核；下部结构计算复核。上部结构计算复核结构离散和计算说明计算分析在平面杆系程序下进行。参考设计提供的施工过程，将整个桥梁结构划分为169个单元，共计151个节点，结构计算模型见图4-1。计算模型计算考虑三个施工过程，分别为：第一阶段：满堂支架浇注主梁和主塔，并张拉主梁预应力。第二阶段：张拉斜拉索，主梁落架。第三阶段：桥面铺装，并安装人行道板和栏杆，安装过桥管线。规范容许值使用阶段应力在使用荷载作用下，持久状态下预应力混凝土构件的正压应力容许值为（扣除全部预应力损失）应符合下列规定：在使用荷载作用下，持久状态下预应力混凝土构件的主压应力容许值为：短暂状态下预应力混凝土构件的压应力容许值为：在使用荷载作用下，钢构件的容许应力值应符合下列规定：（2）持久状况正常使用极限状态挠度结构在汽车荷载（不计冲击力）作用下的上部结构竖向挠度幅值（正、负挠度最大绝对值之和）的容许值为：拉索容许拉应力：承载能力极限状态截面强度计算《公混桥规》（D62-2004）第5.1.5条规范：构件承载能力极限阶段强度，应符合下式要求：此处，结构重要性系数取1.1。上部结构截面承载能力极限状态效应组合内力包络图如图4-2：极限承载状态主梁弯矩、轴力、剪力包络图及验算截面表4.1上部结构截面极限承载能力验算（kN-m）截面弯矩最值对应轴力对应剪力极限承载轴力是否满足1截面-6.26E+041.47E+041.08E+033.71E+04是2截面-6.40E+044.50E+044.80E+042.31E+05是3截面7.93E+044.74E+04-5.25E+032.07E+05是4截面6.98E+044.74E+04-1.21E+032.17E+05是5截面-9.56E+044.47E+048.03E+031.31E+05是6截面6.66E+042.87E+04-2881.58E+05是7截面-8.92E+04-1.56E+037.31E+04-1.13E+05是截面轴力最值对应弯矩对应剪力极限承载轴力是否满足8截面-1.25E+03-3.25E+043.29E+04-1.03E+05是9截面4.91E+043.64E+04-7.18E+043.38E+05是10截面-842-3.89E+043.93E+04-1.03E+05是从计算结果看出，全部单元满足承载能力极限状态截面强度要求。持久状况正常使用极限状态抗裂计算根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）第6.3.1条规定验算抗裂：正截面抗裂 斜截面抗裂 图4-3为短期效应组合下混凝土抗裂验算图，其中边跨最边缘部分产生0.21Mpa左右的法向拉应力，不满足全预应力构件抗裂验算。短期效应组合下混凝土抗裂验算图图4-4为作用短期效应组合混凝土主拉应力()图，从图中可见,最大主拉应力为0.48Mpa,满足规范要求。作用短期效应组合混凝土主拉应力()图持久状况正常使用极限状态挠度计算图4-5，4-6为持久状况正常使用极限状态荷载短期效应组合竖向变形包络图和持久状况正常使用极限状态自重产生竖向变形图。从图中可见，持久状况正常使用极限状态荷载短期效应组合作用下边跨向上位移最大1.7cm；主跨向下位移最大约4.6cm。自重产生竖向变形边跨向上位移最大0.8cm；主跨向下位移最大约1.2cm。由规范插值求得挠度长期影响系数=1.425，所以：边跨挠度： 满足主跨挠度： 满足持久状况正常使用极限状态荷载短期效应组合竖向变形包络图持久状况正常使用极限状态自重产生竖向变形图持久状况构件的应力计算图4-7，4-8分别为正常使用极限状态主梁、主塔的正应力包络图。从图中可见，边跨侧主梁下缘最大压应力为8.39Mpa，上缘最大压应力为11.93Mpa。主跨侧主梁下缘最大压应力为12.25Mpa，上缘最大压应力为13.72Mpa。主塔钢截面最大压应力约104.54Mpa，混凝土最大压应力约9.85Mpa，均满足规范要求。持久状况正常使用极限状态主梁正应力包络图持久状况正常使用极限状态主塔正应力包络图图4-9，4-10分别为正常使用极限状态主梁、主塔的主应力图。从图中可见，边跨侧主梁下缘最大主拉应力为0.37Mpa，上缘最大主压应力为11.93Mpa。主跨侧主梁下缘最大主拉应力为0.25Mpa，上缘最大主压应力为13.72Mpa。主塔钢截面最大主压应力约114.54Mpa，混凝土最大压应力约9.85Mpa，均满足规范要求。持久状况正常使用极限状态主梁主应力图持久状况正常使用极限状态主塔主应力图短暂状况构件的应力计算图4-11～4-14分别为施工阶段主梁和主塔的正应力图。从图中可见，在施工结束时，边跨侧主梁下缘最大压应力为7.34Mpa，上缘最大压应力为8.40Mpa。主跨侧主梁下缘最大压应力为11.30Mpa，上缘最大压应力为9.79Mpa。主塔钢截面最大压应力约81.98Mpa，混凝土最大压应力约9.52Mpa。施工过程中主梁和主塔的正应力均满足规范要求。施工阶段二主梁正应力图施工阶段二主塔正应力图施工阶段三主梁正应力图施工阶段三主塔正应力图图4-15～4-18分别为施工阶段主梁和主塔的主应力图。从图中可见，在施工结束时，边跨侧主梁下缘最大主拉应力为0.52Mpa，上缘最大主压应力为10.12Mpa。主跨侧主梁下缘最大主拉应力为0.15Mpa，上缘最大主压应力为12.18Mpa。主塔钢截面最大主压应力约63.67Mpa，混凝土最大主压应力约7.50Mpa。施工过程中主梁和主塔的主应力均满足规范要求。施工阶段二主梁主应力图施工阶段二主塔主应力图施工阶段三主梁主应力图施工阶段三主塔主应力图拉索应力计算图4-19～4-21分别为施工过程，正常使用极限状态的拉索拉应力图。从图中可见，拉索在施工过程中出现的最大拉应力为664Mpa，在正常使用极限状态下最大拉应力为679Mpa。均满足规范要求。施工阶段二拉索拉应力图施工阶段三拉索拉应力图正常使用极限状态拉索拉应力包络图下部结构计算复核钻孔灌注桩单桩容许承载力计算桥位处工程地质基本条件①层素填土：层厚2.40-5.20m，灰、灰黑色，主要为亚粘土组成，软塑状，夹碎石、砂和少量砼地坪，局部含有机物；②层粉土：层厚8.80-11.60m，层顶埋深2.40-5.20m，层顶高程4.00-11.70m,灰黄-深灰色，湿-饱和，多为中密状，摇振反应较迅速，无光泽度，强度较低，无韧性，含铁锰质结核，可见层理；③层粉细砂：层厚6.30-7.00m，层顶埋深13.70-16.80m，层顶高程0.10--4.80m，灰-浅灰色，湿-饱和，中密-密实，主要成份为石英、长石及云母，微细水平层理清晰，具铁染，底部偶见砾石；④层：强风化泥质砂岩：层厚：3.80-6.20m，层顶埋深19.50-25.80m，层顶高程-8.90—-12.70m,褐红色，少量钻孔见青灰色，岩石风化多呈粘土状，可-硬塑，夹少量未完全风化的块状-碎屑状岩芯，原岩结构不清，手能折断；⑤层：中风化泥质砂岩，最厚为13.20m，层顶埋深24.40-29.80m，层顶高程-12.90—-17.30m，褐红-暗紫红色，岩芯多呈块状，具纵横交错状风化裂隙，锤击呈片状裂开，本层岩芯采取率低；下部岩芯完整性好，均匀，裂隙偶见，岩石坚硬、固实。勘察区内地表水——派河为肥西县主要河流之一，一般5-9月为丰水期，其间水位骤涨，往往溢出河床，冲刷岸边。场地内地下水主要为赋存于①层素填土中的上层滞水以及②、③亚砂土、粉细砂孔隙中赋存的潜水，受派河地表水、大气降水的垂直补给、地下水迳流渗透的侧向补给，该场地地下水较为丰富，静止水位0.50-6.30m，且渗透能力较强、下部中风化砂岩能得到其补给。据区域水文地质资料、地下水、地表水对砼无腐蚀性。全桥墩台基础情况如图，边支点只有竖向约束，没有水平约束；主墩处为固结，承受弯矩、轴力及剪力，是主要验算对象。单桩容许承载力按《公路桥涵地基与基础设计规范》第4.3.2条，摩擦钻孔灌注桩的单桩轴向受压容许承载力，可按下式计算：式中－单桩轴向受压容许承载力(kN)；—桩壁土的平均极限摩阻力（kpa）；－天然湿度的岩石单轴极限抗压强度；－桩在局部冲刷下线以下的有效长度；－桩的周长；－桩底横截面面积；表5.1主桥中墩处地质土层特性参数层号及岩性极限侧阻力（Kpa）②层粉土55③层粉细砂70④强风化泥质砂岩90⑤中风化泥质砂岩130其中中风化泥质砂岩的极限端阻力为2800Kpa，按以上公式和表中地址资料参数计算各桥墩处的钻孔桩的单桩容许承载力，扣除桩身重量的一半即为单桩容许承载力设计值。表5.2主桥中墩处单桩承载力计算墩台号承台底标高桩人土深度(m)地质钻孔中风化岩起始标高(m)持力层容许承载力(kPa)单桩面积(m2)单桩容许承载力(kN)单桩容许承载力设计值主墩--0.296352号-16.228002.54411376812655主墩计算复核主墩处为固结，承受弯矩、轴力及剪力，需要结合外荷载对承台截面、墩柱截面强度及桩基础位移和内力进行验算。作用在中墩上的荷载图5.2为主墩的构造图。纵桥向汽车制动力产生的水平力按城市桥梁设计荷载标准计算，取两条加载车道的10%的车道荷载：。又根据上部结构的计算结果，主墩的墩身底外力见表5.3。图5.2主桥中墩构造图表5.3主桥中墩墩底内力主墩墩身底内力承载能力组合内力竖向力(kN)140236纵桥向弯矩(kN-m)47196纵桥向水平力(kN)420中墩承台验算冲切截面图5.2所示，斜面混凝土抗拉强度按下式验算。式中－桩重要性系数，取1.0；—作用于冲切破坏锥体上的净冲切力设计值（kN）；－混凝土轴心抗拉设计强度；－冲切破坏锥体有效高度；－距柱底周边处的冲切破坏锥体周长；代入验算得即满足冲切要求。中墩墩身强度验算主墩为直径6m的圆形钢筋混凝土截面。根据《公路钢筋混凝土及混凝土桥涵设计规范》第5.1.5条进行荷载组合，并按偏心受压构件检算墩底截面的极限承载力，其计算结果见表5.4。表5.4主桥薄壁墩墩底截面承载力检算主墩墩身底内力截面按偏心受压构件计算极限承载能力竖向力(kN)4.54e+5弯矩(kN-m)1.53e+5表中的计算结果表明，薄壁墩墩底截面强度是足够的。主桥墩桩基础承载力和强度验算主桥中墩桩基布置见图5.3。在进行钻孔灌注桩的承载力及墩身强度检算前首先需计算出桥墩桩基中受力最大的桩。作用在主桥中墩承台底面的荷载，其计算结果见表5.5。表中结构重力一项中的竖向力已计入承台的重量。承台的重量为kN。图5.3主桥中墩桩基布置图在横桥方向上，作用有风荷载产生的横桥向风力以及由此而产生的横向弯矩。其中，横桥向风力为横向风压乘以迎风面积，横桥向风压根据《公路桥涵设计通用规范》第4.3.7条取400Pa，取主桥箱梁（包括防撞栏杆的面积）和桥墩、桥塔并考虑斜拉索索面的迎风面积，风力作用点在各迎风面积的形心位置处。根据作用在承台底面的力对桩群进行空间受力分析，按《公路桥涵地基与基础设计规范》中的m法进行计算，桩侧土的比例系数根据地质钻孔资料查取规范相应表中的数据得到，计算中视承台为刚性，不计变形。计算结果见表5.5,其中x方向为纵桥向，y方向为横桥向，z方向为竖直向上。表5.5主桥中墩承台底外力及桩基空间计算结果承台底面荷载NX(kN)NY(kN)NZ(kN)MX(kN-m)MY(kN-m)420494169