上虞曹娥江大桥主桥双层连续箱梁设计

上虞曹娥江大桥主桥双层连续箱梁设计

1桥型选择的背景上虞市曹嫦娥河大桥是上虞市实施“一轴、二环路、三条、多重”城市建设模式的重要工程。上虞市地处我国富庶和经济发展快的长江三角洲地区,位于杭甬交通干线上,是环绕杭洲湾城市中重要的小城市,起着大中城市与乡镇农村之间的承上启下的作用。上虞市为浙东的交通枢纽之一,杭洲湾南岸重要的滨江工贸城市和市域的政治经济、文化中心。目前,联系曹娥江两岸的桥梁已有多座,有拱梁组合桥、斜拉桥等,各具特色。因此,对环城南路曹娥江大桥的桥型选择,既要满足城市快速干道要求,同时桥型美观,与已有桥型相区别,建成后成为上虞市的标志性建筑。通过多方案比较,确定采用双层连续梁桥方案,打破了常规连续梁桥仅在箱顶设置悬臂的成规,通过箱梁底板挑出悬臂设置人行道和非机动车道,箱梁顶板仍作为行车道,非机动车和行人与机动车道的完全分离保证了车道的快速无阻,并降低了人行和非机动车道的坡度,从而有效地降低了桥梁标高、减小了桥梁的宽度和长度,大大降低了工程造价。2防洪堤顶设计(1)设计荷载:城-A级,人群4.0KN/m2;(2)设计时速:60km/h;(3)通航标准:六级航道,通航水位2.33m—6.33m。(4)防洪标准:百年一遇,水位10.95m。(5)抗震标准:基本地震烈度为6度。(6)路幅布置:主桥上层:0.5m(防撞栏杆)+17m(机动车道)+0.5m(防撞栏杆);主桥下层:0.5m(栏杆)+1.5m(人行道)+4m(非机动车道)+箱梁底宽+4m(非机动车道)+1.5m(人行道)+0.5m(栏杆);(7)桥下净空要求:桥下净空除了通航要求外,东岸防洪堤顶处梁底控制标高为12.76m;道路穿越桥梁处应满足桥下净空4.5m的要求。3桥梁结构及控制标高该桥轴线与河流斜交,交角为60°,并且跨越规划的两岸滨江路,滨江路是体现滨江城市景观的主要生活性主干道,规划宽32m,滨江西路现有地面标高为6.5m左右,滨江东路现有地面标高为5.8m左右,规划东西两岸路面标高7.6m,净空4.5m,其控制标高为12.1m,超出百年一遇洪水位;东岸防洪堤顶亦有11.76m高,水利部门要求必须预留1.0m的高度,以供维修所用,因此,此处标高成为整个桥梁的控制标高。桥梁总长820m,主桥为55+5×72+55m双层预应力混凝土连续梁,西岸引桥为7×25m预应力混凝土连续梁,东岸引桥为7×25m预应力混凝土连续梁,全桥布孔为6×25+35+5×72+35+7×25m。主桥两侧匝道桥为7×25m预应力混凝土连续梁。主桥上层桥宽为17m(机动车道)+2×0.5m(防撞栏),下层为分离的两幅,单幅桥宽为1.5m(人行道)+4.0m(非机动车道)+0.5m(防撞栏)。主桥采用双向纵坡为1.5%,竖曲线半径R=3000m引桥机动车道纵坡为3.8%,非机动车道以2.063%坡度的匝道桥转弯下来,至引桥桥台后,路基宽度变为32m的标准宽度。引桥和主桥变坡处设竖曲线,半径R=4000m。主桥横断面布置见图1所示。4结构设计4.1引桥箱梁设计方案主桥55+5×72+55m为等截面预应力混凝土双层连续箱梁,梁高4.0m,梁高与跨径之比为1/18,断面为18m宽单箱双室,箱宽9.2m,顶板悬臂长4.4m、底板悬臂长5.5m,跨中腹板厚0.40m、底板厚0.25m,墩顶附近腹板厚为0.7m、底板厚0.45m,直线变化段12m。箱梁仅在桥梁支点处设置横梁,中支点横梁宽1.8m,端支点横梁宽1.5m。55m边跨墩顶端横隔板设置牛腿,其上搁置引桥箱梁,既节省了墩帽的设置,又可为主桥压重,减小主桥弯矩。主桥箱梁按悬臂施工法设计,在主桥墩上搭设扇形支架,墩身与箱梁临时固结,用挂篮分段对称悬臂浇筑。纵向分3m-个节段,边跨支架现浇段为19.33m,最大悬浇节段重量为159.9t,标准段节段约为122t。中跨合拢段为3m,边跨合拢段为2m。箱梁采用三向预应力体系。纵向预应力钢筋采用Φj15.24的钢绞线(Ryb=1860MPa),每根钢束由12根或9根钢绞线组成(Φj15.24-12)。横向预应力采用扁锚,每根钢束由5根钢绞线组成(Φj15.24-5);竖向预应力采用精轧螺纹钢筋,横、竖向预应力钢束纵向布置间距为0.5m。引桥仍为等截面预应力混凝土连续箱梁,以便非机动车匝道桥的设置,梁高1.5m,断面为18m宽单箱双室,箱宽9.2m,顶板悬臂长4.4m,跨中腹板厚0.35m、底板厚0.25m,墩顶附近腹板厚为0.6m、底板厚0.45m,直线变化段2m。匝道桥为6m宽连续箱梁,箱宽3.0m,顶板宽5.5m,跨中腹板厚0.35m、底板厚0.2m,墩顶附近腹板厚为0.55m、底板厚0.4m,直线变化段2m。4.2引桥桥墩型式主桥桥墩为双柱式Y型桥墩,桥轴线与水流方向成60°夹角,为减少阻水面积,并与上部型态相协调,桥墩墩柱外侧设计为圆形状、内侧为矩形(设圆角),墩柱底部全宽5m,承台厚2.5m,基础为Φ1.5m钻孔桩,桩底进入弱风化岩层至少2D(D为桩径)以上。引桥桥墩型式与主桥相同,但墩柱尺寸与桩数相应减小。匝道桥为单柱式桥墩,墩柱直径为1.5m。桥台采用埋置式桥台,台后直接与挡土墙相接。5桥面面积计算将曹娥江大桥主桥、引桥和匝道桥的箱梁主材经济指标与最近几年建成的相近跨度的连续梁桥箱梁主材经济指标比较列于表1,以便比较。各项用材指标以每平方桥面用量计。为了与单层桥面箱梁比较,这里桥面面积按上、下层面积之和计算。主桥箱梁的混凝土经济指标为每平方桥面0.62m3,由表1可知,与已建相近跨度的单层桥面桥梁相比,混凝土经济指标降低40%左右,可见双层桥面大大节约了混凝土用量,同时也降低了下部基础的工程量。6双层连续箱梁有限元分析结果空间受力特性试验由于双层连续箱梁的顶、底板悬臂都较大,为确保结构的安全性,同时掌握双层连续箱梁的空间受力情况,采用大型有限元分析程序ANSYS,分析双层连续箱梁在恒载和活载作用下的空间应力分布和变形情况。6.1有限元模型建立针对55+3×72+55m连续双层箱梁进行分析,为突出主要问题,简化为55+76+55的三跨连续箱梁。在建立空间模型时根据结构的对称性,建立了55+76/2m的空间有限元模型进行计算。空间计算采用八节点四面体实体单元,全部模型共建立节点36809个,单元115364个。计算参数取值如下:混凝土弹性模量:;混凝土容重:;混凝土泊松比:;桥面铺装:按沥青,混凝土考虑;汽车荷载:按城-A级考虑,取用车道荷载,以均布荷载在加集中力计算,集中力的位置考虑作用在墩顶和作用在中跨跨中两种情况。靠一侧按两列车布载。人群荷载:按,在下层悬臂满布。6.2顶向应力分析箱梁变形最大处为中跨跨中,竖向下挠3.4cm,边跨下挠约1.5cm。图2为全桥的顺桥向应力图。顺桥向最大压应力约为11MPa,是支座局部应力集中造成。最大拉应力为9.8MPa,发生在墩顶位置顶板上缘。横桥方向,整体应力不大,在墩顶处出现峰值,最大压应力为底板的8MPa,拉应力为顶板上缘3.3MPa。从墩顶顺桥向应力看出,在靠近上下缘部分,应力较高,并且在腹板位置有应力峰值出现,这主要是剪力滞引起,总体的顺桥向应力水平在-11—10MPa左右。横桥向总体应力水平不高,应力峰值主要是由支座处的应力集中引起。跨中位置顶板的应力水平为5MPa(压应力),峰值5.9MPa,底板的应力水平为5MPa(拉应力),峰值5.9MPa,且由靠近中间腹板向两侧逐渐减小。图3和图4是取墩顶和跨中顶板上缘和底板下缘的顺桥向应力绘制成的应力分布曲线,从曲线中可以明显的看出剪力滞效应:在顶板上缘和底板下缘的顺桥向应力中在三个腹板的位置出现了明显的应力变化区域。墩顶位置顶板的剪力滞效应比底板明显,而在跨中断面,出现了“反剪力滞现象”6.3荷载和抗拉力验算活载按城-A级考虑,并考虑最不利的偏心作用情况:两列车按车道荷载靠边布置,取用均布荷载10KN/m,每个车道再考虑一个300KN的集中力作用。人群荷载按在下层悬臂满布。考虑集中力作用在墩顶和中跨跨中位置两种工况,经过变形比较认为作用在中跨跨中时较为不利,对该工况的计算结果进行了较为详细的讨论。(1)中间墩顶变形活载偏载作用时,结构发生了扭转变形,最大位移为0.6cm,当集中力作用在墩顶时,大变形区域发生的位置主要是中跨跨中截面的上、下层悬臂及附近区域。中跨跨中的扭转变形比中墩墩顶位置的变形大,但中间墩顶上层悬臂受到集中力作用的影响,有弯曲变形发生。中跨跨中的最大竖向变形为0.65cm。仅在活载作用下,顺桥向应力总体水平不高,在1MPa以下,在墩顶区域作用集中力部分出现高应力区域,峰值有1.3MPa,压应力峰值主要发生在支座应力集中部位。结构的第一主应力和第三主应力都不高,大部分区域第一主应力的水平在1MPa以下,在中间墩顶区域两腹板腹板间的区域有2MPa的应力区域。第三主应力的应力峰值主要发生在支座应力集中区域,其余部分应力水平不高。(2)桥梁应力分析集中力作用在中跨跨中时,中跨跨中加载侧的上下层悬臂发生较大位移,数值为1.1cm,而中间墩顶位置的变形较小。通过比较发现,本工况的中跨跨中截面变形较前一工况有较大的提高,而墩顶截面变形水平相当,可以判定,本加载工况是活载作用的不利工况。本工况顺桥向应力仍然在墩顶区域发生了拉应力峰值1.6MPa,而在跨中截面作用集中力的区域出现了1.3MPa左右的压应力。压应力峰值仍然是支座应力集中区域。横桥向应力较小,主要是在集中力作用区域和墩顶部分有高应力(1.1MPa)区域。顺桥向应力峰值为作用集中力区域,水平为2MPa(压应力),在下层悬臂根部有1.5MPa的高拉应力区域。横桥向应力主要是由集中力作用引起,峰值在1MPa左右。第一主应力的高应力区域主要是底板,箱体内部,及集中力作用区域。作用集中力一侧下层悬臂根部有1.5MPa的拉应力。第三主应力的高应力区域发生在顶板,应力水平在1.1MPa左右,而底板的应力不足1MPa,集中作用区域有2MPa左右的高应力区域。顺桥应力的压应力峰值为底板支座应力集中区域,而拉应力峰值在加载侧上层悬臂根部,峰值1.7MPa。从图5中可以看到在加载侧仍然有比较明显的剪力滞现象。从中间墩截面的剪力滞效应图可以看出,在不平衡加载条件下,加载侧的剪力滞效应仍然明显:在腹板区域出现了应力峰值。中跨跨中截面的剪力滞效应不明显。双层