涪陵乌江二桥螺旋匝道桥墩梁固结设计

涪陵乌江二桥螺旋匝道桥墩梁固结设计

1项目总结及重要边界条件1.1陵江路—工程概况涪陵吴江二桥桥桥的交叉口是武陵吴江二桥工程的重要组成部分。位于乌江与长江交汇处附近，距水面约500米。在涪陵主城区，俯瞰着连接乌江二桥建设后的滨江路，它是长江的主要通道。西桥头立交的建设,实现了涪陵乌江二桥与主城区及滨江路的连接。西桥头立交分两期实施。一期工程包括的西桥头立交引桥和螺旋匝道;二期工程包括连接主城区的A、B匝道。其中,涪陵乌江二桥螺旋匝道是一个非常规结构形式的曲线匝道桥。1.2西桥墩互通立交桥位场地立交拟建区地貌单元属河谷斜坡地貌。场地位于乌江左岸,因护堤工程施工原始地形已被改变,护堤高20余米,堤顶高程179.15m,堤内高程约175m,为人工回填,岸坡已进行护坡处理。西桥头立交螺旋匝道桥位场地范围地面高程172.23m,相对高差3.05m,地形平坦。桥位区内多被第四系全新统填筑土及亚粘土覆盖,土层厚度达18～25m,采用中风化泥岩作为基础持力层。1.3标准(1)道路等级标准城市道路双向4车道。(2)启动速度30km/h。(3)车辆负荷等级城-A级,人群荷载4.0kN/m2。(4)桥面宽度0.5m(防撞护栏)+9.0m(车行道)+3.0m(中央分隔带)+9.0m(车行道)+2.0m(检修道)。(5)纵、横斜倾斜全桥位于4.5%单向纵坡。车行道为单向4.0%超高横坡,检修道为单向1.0%横坡。(6)平曲线螺旋匝道道路中心线位于R=45.0m的圆曲线上。1.4桥墩立交与排水箱涵布置西桥头立交位于人工改造后的场地上,地形地貌和已建成的诸多构筑物对立交结构形成制约因素(图1),主要包括:(1)立交占地范围及周边建筑。受场地周边已建房屋建筑的限制,仅能以现有空地中央为中心,约60m半径的范围内修建西桥头立交。考虑到立交桥面宽度及立交对周围建筑的最小影响距离,螺旋匝道道路中心线的半径不得大于45m。(2)滨江路与乌江二桥引桥高差。由于滨江路与乌江二桥引桥高差达34m,并且受立交道路中心线半径的限制,因此仅能通过设置1个双层螺旋环形匝道桥通过展线,均匀升坡。克服高差来解决滨江路与乌江二桥引桥的衔接问题。(3)地下排水箱涵。在螺旋匝道桥位区,有1个与乌江防护大堤同时建成的排水箱涵自西向东横穿,埋深为15～20m,在考虑桥跨布置时,须保证基础与箱涵之间足够的安全距离。(4)景观。本立交地处乌江与长江汇合口附近。结合桥址特点,应具备陪衬主桥、融合江岸、协调桥头建筑的景观功能,发挥桥头立交在桥梁环境景观的特殊作用,使之成为一个靠江岸的标志性建筑。2螺旋曲线方案的研究2.1桥型方案的确定方案构思的理念应以人为本,力求创新,因地制宜,既要考虑满足交通功能,又要顾及经济效益和环境影响等因素,结构造型力求美观、新颖、简洁大方。因此在对乌江二桥西桥头立交的桥型方案研究中,充分尊重、认真分析现有周边环境,注重城市景观组织,从功能和美学的角度,把桥头立交与引桥作为一个相互关联的建筑群进行综合研究。既能保证车辆行驶的安全、便捷、舒适,又能使桥头立交构成一个与主桥相协调、与环境相适应、美观、合理、高效的江岸建筑物,是西桥头立交设计的基本原则。2.2结构布置方案比选(1)方案Ⅰ——单墩大悬挑横梁整体连续结构方案。本方案将桥墩均设置于内、外幅匝道之间(图2,3),内、外幅箱梁通过大悬挑横梁与桥墩连为一体实行墩梁固结,整体协同受力,内、外幅主梁在全桥范围内均为结构连续。(2)方案Ⅱ——门形墩多跨连续梁方案。本方案匝道设计起、终点与方案Ⅰ相同。桥墩采用常规的门形框架墩,桥墩横梁与主梁之间受力是分离的,主梁的竖向荷载通过设置在墩横梁上的支座传递给桥墩(图4)。主梁沿纵桥向在每个圆周分成4联,联间设置伸缩缝。每联为3～4跨连续箱梁。根据桥位处建设条件,综合考虑经济适用、景观效果等因素,方案Ⅰ被确定为推荐方案。方案比较见表1。3螺旋曲线设计要点和结构计算分析3.1结构设计3.1.1内、外幅匝道结构螺旋匝道沿道路中心线展开为2层26跨。由上至下,第2层为第1～13跨,第1层为第14～26跨,单层匝道沿道路中心线的桥跨布置为:(21.94+23+4×20+20.3+20+20.3+25+23+3×22.5+22)m。内、外幅箱梁中心线半径分别为38.25m、51.0m。内、外幅匝道间距2.0m,在内、外幅匝道桥之间设置了13个桥墩。通过27个沿桥墩径向设置的墩横梁将内、外幅匝道箱梁与桥墩相连。其中1～25号墩横梁将内、外幅箱梁与桥墩连为一体实行墩梁固接,仅在0号、26号墩横梁上设置拉力支座。内、外幅匝道在整个桥跨范围内均为连续结构,仅在螺旋匝道起始端与引桥交接处、结束端与路堤引道交接处各设1道伸缩缝。内、外幅箱梁通过平转使顶面倾斜实现超高横坡。3.1.2预应力分配方式不合理主梁采用内、外双幅分离式结构(图5),为单箱单室截面,内幅箱梁顶板宽11.5m,外幅箱梁顶板宽10.0m;内幅箱梁底板宽6.5m,外幅箱梁底板宽5.0m,梁高均为2.0m。内、外幅箱梁翼缘板悬挑宽均为2.5m,顶板厚均为25cm,底板厚均为20cm,腹板厚均为45cm。在距各实心段一定范围内,箱梁的顶、底板及腹板分别加厚以增大抗弯、剪、扭的承载内力。经过反复分析比较,主梁按普通钢筋混凝土结构设计,主梁内不配置纵向预应力。其原因如下:(1)由于不受桥面净空限制,主梁的梁高可以做到2m,而最大跨径仅达到28.3m,主梁高跨比大,在一般钢筋混凝土箱形截面连续梁标准跨径不宜大于30m的合理范围之内,主梁作为钢筋混凝土受力构件是合理可行的。(2)内、外幅箱梁中心线半径分别为38.25m、51.0m,若在如此小的半径张拉纵向预应力,沿程的摩阻损失将非常大,这样势必降低预应力钢材的使用效率。(3)预应力钢束的径向力对小半径曲线梁往往造成很多不利影响。在箱梁构造上,预应力筋的径向力使腹板必须加厚,从而增加了整个结构的自重;在整体受力上,预应力钢束的径向力加大了墩柱的弯矩,由预应力产生的二次效应对结构造成不利影响;在主梁的变形上,由于预应力钢束沿梁高度方向的竖向弯曲,使径向力的作用点总是沿梁高度方向在变化,当其作用点与主梁截面剪切中心不重合时,钢束径向力就会对主梁产生扭转作用,不仅增大了截面扭矩、而且会造成曲线梁扭曲变形不一致,使截面产生向内或向外偏转。桥墩与主梁通过墩横梁连接,墩横梁内设有横穿桥墩的预应力钢束,以增大截面的抗弯承载能力。螺旋匝道桥墩均采用2.0m×3.0m等截面矩形墩,墩高27～39m,所有桥墩沿道路中心线径向设置。桩基础采用直径为4.0m单根桩基础,桩长23～39m。3.2结构计算与分析3.2.1成桥阶段的有限元模型采用通用有限元分析程序建立涪陵乌江二桥螺旋匝道整体有限元模型。计算模型中,结构各构件包括内、外幅箱梁,桥墩,墩横梁及桩基等各组杆件均采用三维梁单元模拟。考虑到桩基将穿过厚20～33m覆土层及弱风化带嵌入基岩持力层中,不可忽视桩在土中水平向的位移对墩内力的影响,故将桩—土共同作用在整体模型中同时考虑。成桥阶段整体计算考虑的工况有:恒载、混凝土收缩徐变、汽车活载、人群荷载、整体温度和梯度温度作用、车辆离心力和制动力、引桥支座摩阻力。同时,对结构进行了整体静力稳定性分析。3.2.2结构稳定性分析对结构的三维整体分析计算分析结果表明:整体结构受力体系明确,结构受力满足设计功能要求。螺旋匝道结构新颖,结构受力空间效应非常明显。作为整体连续结构,虽受力较复杂,但传力途径清晰流畅。将桥墩均设置于内、外两幅匝道之间提升了结构的使用效率。由于螺旋匝道墩梁固接、整体共同受力的特点,在恒载作用下,整个结构的内力分布是匀顺的。桥墩虽然较高,但对车辆荷载偏载作用下以及汽车制动力、离心力、作为引桥的共用墩的墩顶支座摩阻力作用下,产生的不利因素反应不敏感,对温度作用的反应较敏感。由于螺旋匝道墩梁固接,不设支座,全桥之间不设置伸缩缝,在各种工况作用下,主梁的变形是连续的。这样的构造避免了曲线梁在汽车离心力和制动力长期反复作用下,主梁向曲线外侧及汽车制动力方向水平错位对结构产生的病害。整体稳定方面,在考虑结构本身自重并在桥面施加活载的情况下,结构的静力稳定安全系数为27.1。失稳模态为:桥墩径向侧弯。本桥成桥状态的稳定安全系数远大于4,满足规范中的有关规定。这就说明了虽仅在内、外两幅匝道之间设立桥墩,但结构的静力稳定性是有充分保证的。4空间计算分析在结构设计中的应用经过为期10个月的建设,螺旋匝道的主体结构施工已经顺利完成(图6)。涪陵乌江二桥螺旋匝道结构形式新颖,空间受力特性明显。通过对该匝道的空间计算分析和详细结构设