空间放射性钢管混凝土组合桥墩主桥设计

空间放射性钢管混凝土组合桥墩主桥设计

1匝道方案a、c匝道107国道深圳段东南站、西至松港站，全长31.2公里。107国道是连接深圳至广州往北京的国家一级干线公路,是深圳西部地区一条主要的对外交通干道。为满足逐步增大的交通需求,在107国道本路段K6+580处修建掉头匝道A、C,在107国道本路段K6+80处修建掉头匝道B,均为单向双车道。A、C匝道道路纵坡采用4.0%控制,设计时速为25km/h,桥梁净空为5.0m,匝道曲率半径R=30.5m,匝道宽度为11m。A、C匝道设计起点位于东之星出口后约30m处,顺接现状107国道辅道,跨越107国道后掉头,顺接现状107国道对向辅道;B匝道道路纵坡采用4.0%控制,设计时速为25km/h,桥梁净空为5.0m,匝道曲率半径R=35m,匝道宽度为11m。B匝道设计起点位于A、C匝道以北约500m处,顺接现状107国道辅道,跨越107国道辅道后掉头,顺接107国道对向辅道。2指标1)主桥整体桥面总宽11m,行车道宽2×4.0m;3)平曲线:中心线位于曲线上;3结构钢梁结构及布置由于匝道跨107国道,曲线半径很小且车流量很大,如采用传统的混凝土箱梁,施工时对下行车道通行影响很大,同时存在安全隐患,所以设计时需选择施工方便,受力性能好的方案。横断面采用单幅断面设计,其标准宽度为11.0m,断面布置形式为:0.5m防撞墙+0.5m路缘带+4m小车道(3.25m小车道+0.75m曲线加宽)+5.0m大车道(3.5m大车道+1.5m曲线加宽)+0.5m路缘带+0.5m防撞墙,机动车道采用单向1.5%横坡,匝道依据曲率半径和行车速度设计成超高为2%。A、B匝道上部结构主桥均采用小悬臂钢桁-波形钢腹板组合梁,跨径组合(30+40+40+30)m,桥梁长140m,图1为桥面立面图,桥面宽11m,梁高1.8m,(由1.5m钢梁及30cm后浇层组成),后浇层纵向主筋和横向主筋均采用HRB335,直径16mm的螺纹钢筋,图2为主梁支点处断面图,图3为主梁跨中处断面图。主梁侧向悬臂长3.5m,悬臂端厚度为20cm,每2m设置一道斜撑,斜撑规格为中ue788400×16的钢管,内灌C50微膨胀混凝土。腹板采用波形钢腹板,腹板中心距为4m,波形钢腹板波长1.0m,波高20cm,厚16mm。组合梁顶板由横向及纵向翼缘板组成,翼缘板厚16mm,并设有加劲肋及抗剪栓钉,肋高16cm,肋板上开有直径5cm的钢筋孔,底面钢板通长布置,间距40cm布置一道加劲肋,加劲肋厚16mm,每4m设置一道横隔板,钢板及斜撑材质均为厚度Q345q-C,浇筑后浇层时为施工方便、节省模板,施工前,在两腹板顶部横向铺设压型钢板,压型钢板采用BD40-600-200闭合型,板厚1.2mm,图4为主梁标准段压型钢板平面布置图。全桥在顶板后浇层设置横向预应力,横向预应力钢束采用3φs15.2,初始张拉应力0.65σcon,纵向每隔1m布置一道,一边张拉一边锚固,图5为主梁横向预应力平面布置图。4梁单元的确定采用Midas/Civil2010空间计算软件对B匝道的钢-混凝土组合梁部分进行分析。模型采用梁单元、板单元共同建模,钢管混凝土斜撑采用梁单元,后浇结构层、波形钢腹板、底板采用板单元,共计4479个节点,9639个单元。本段桥梁采用的截面为钢-混凝土组合截面,计算时横向预应力参与受力,不计普通钢筋的受力,模型中支点顶部考虑分缝,V形墩与主梁为节点自动耦合,V形墩与基础为刚性连接,计算边界条件为在反弯点固接,通过计算主桥的上部结构在各种工况下的受力,确定受力最不利的构件进行强度验算。图6为分析模型的三维视图。4.1主要材料和性能表1~3给出了主要材料性能指标取值。4.2弹性阶段应力验算组合Ⅰ:1.2D+1.4M;组合Ⅲ:基本组合1.2D+1.4M+1.12T;组合Ⅳ:弹性阶段应力验算组合1.0D+1.0M+1.0T;组合Ⅴ:1.0D[二期恒载]+1.0M。其中,D表示恒载;M表示活载;T表示温度荷载。4.3在负荷组合的作用下，地板的重力测试由内力计算结果可得支承处梁底最大压应力为34.3MPa,跨中处梁底最大拉应力为61.4MPa,均能满足结构承载力要求。4.4在超载组合的作用下，屋顶的扬力测试由内力计算结果可得支承处梁顶最大拉应力为111.8MPa,梁顶最大压应力为5.39MPa,均能满足结构承载力要求。4.5混凝土预压应力本工程中,钢混组合梁部分的一般施工过程为:①下部基础结构→②主梁钢梁部分施工→③压重施工→④混凝土后浇层施工→⑤张拉横向预应力钢束→⑥撤除压重→⑦防撞护栏施工→⑧沥青路面施工。根据该施工过程可知,在④阶段施工过程中主梁的底板在其质量和后浇层混凝土湿重的作用下已产生变形,后浇层混凝土亦为流态,不承受弯矩,因此在后浇层混凝土凝固后处于零应力状态,后续施工过程施加的的荷载及成桥后的活载才对支座处上沿混凝土产生负弯矩,故采用荷载组合Ⅴ对后浇层混凝土进行强度验算。在计算过程中考虑支座范围内顶板混凝土不受拉,拉力全由钢板承受,通过在支点负弯矩区分割缝避免负弯矩区拉应力的传递。对于本工程钢-混凝土组合箱梁,后浇层混凝土在支座处于受拉状态,因此在主梁施工过程中,在临时支架拆除后、混凝土后浇层施工前,通过在钢箱梁跨中处进行压载对钢箱梁进行预弯处理,直至后浇层混凝土施工完,且混凝土强度达到90%以上后撤除压载,使主梁获得一部分预压应力。压载质量取20t,采用集中式加载,两跨同时加载,加载采用混凝土块加载。加载形式如图7所示。根据主梁在施工过程中的受力特点,计算主梁在各工况下的受力情况,进一步分析通过压载主梁获得的预压应力,通过计算分析可知,通过压载处理,主梁在B6墩处的预压应力为σp=-10.32N/mm2,B7墩处的预压应力为σp=-10.63N/mm2,最终B6、B7墩处的主梁梁顶应力分别为10.89、10.19N/mm2钢材的应力-应变关系为σs=εsEs;混凝土应力-应变关系σc=εcEc;钢、混凝土协同工作时有εs=εc,所以σc=Ecσs/Es,经过应力换算,B6墩处梁顶混凝土后浇层的拉应力为σc=10.89/5.97=1.82N/mm2,B7墩处的应力为1.71N/mm2。后浇层混凝土的强度等级为C60,σc,max=1.82<ftd=1.96N/mm2,混凝土后浇层的强度满足要求,表4为各工况下应力统计。4.6墩外侧应力分析在荷载组合Ⅴ作用下V形墩柱压应力最大出现在轴V形墩外侧(图8),轴力为FX=-645.5kN,弯矩为MY=-1287.1kN·m,应力为σ=114.1MPa<230MPa。4.7轴类变形试验计算结果表明,V形墩最大位移也出现在轴处,Z方向位移为1.1mm,Y方向位移为1.46mm,X方向位移为10.9mm,变形满足要求。4.8轴力、弯矩计算在荷载组合Ⅴ作用下斜撑压应力最大也出现在轴V形墩处内侧,轴力为FX=-12.1kN,弯矩为MY=37.7kN·m。斜撑压应力计算结果σ=43.7MPa<230MPa,故该杆件截面承载力验算满足要求。4.9恒载作用下挠度计算结果表明,主桥最大竖向位移发生在跨中处。竖向恒载作用下挠度为34mm,为L/1176<L/600(L为跨度),挠度满足要求。可见,主梁刚度较大,结构变形较小,结构安全合理。4.10钢箱梁疲劳承载力验算根据JTJ025—1986《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》第1.2.17条对钢箱梁进行疲劳承载力验算。取最大跨中支点及跨中部位进行疲劳验算,表5为疲劳验算结果。5主梁自振频率及自振周期对B匝道桥的前10阶振型进行空间动力分析,其振型参与质量百分比均超过90%,主梁第1阶自振频率2.65Hz,结构整体刚度好,各个模态的自振频率和自振周期详见表6。图9为前4阶振型模态。6特征值对B匝道桥的前10阶模态进行空间稳定性分析,第1阶屈曲稳定分析特征值为18.18,结构稳定性好,各阶模态的屈曲稳定特征值详见表7,图10为前4阶屈曲失稳模态。7结构体系分析1)钢桁-波形钢腹板共同工作,波形钢腹板主要解决纵向抗剪问题,悬臂钢管混凝土桁主要解决横向抗弯问题。主梁第1阶自振频率2.65Hz,结构整体刚度好;第1阶屈曲稳定分析特征值为18.18,结构稳定性好。2)悬臂钢桁-波形钢腹板组合