空間放射性鋼管混凝土組合橋墩主橋設(shè)計

空間放射性鋼管混凝土組合橋墩主橋設(shè)計

1匝道方案a、c匝道107國道深圳段東南站、西至松港站，全長31.2公里。107國道是連接深圳至廣州往北京的國家一級干線公路,是深圳西部地區(qū)一條主要的對外交通干道。為滿足逐步增大的交通需求,在107國道本路段K6+580處修建掉頭匝道A、C,在107國道本路段K6+80處修建掉頭匝道B,均為單向雙車道。A、C匝道道路縱坡采用4.0%控制,設(shè)計時速為25km/h,橋梁凈空為5.0m,匝道曲率半徑R=30.5m,匝道寬度為11m。A、C匝道設(shè)計起點(diǎn)位于東之星出口后約30m處,順接現(xiàn)狀107國道輔道,跨越107國道后掉頭,順接現(xiàn)狀107國道對向輔道;B匝道道路縱坡采用4.0%控制,設(shè)計時速為25km/h,橋梁凈空為5.0m,匝道曲率半徑R=35m,匝道寬度為11m。B匝道設(shè)計起點(diǎn)位于A、C匝道以北約500m處,順接現(xiàn)狀107國道輔道,跨越107國道輔道后掉頭,順接107國道對向輔道。2指標(biāo)1)主橋整體橋面總寬11m,行車道寬2×4.0m;3)平曲線:中心線位于曲線上;3結(jié)構(gòu)鋼梁結(jié)構(gòu)及布置由于匝道跨107國道,曲線半徑很小且車流量很大,如采用傳統(tǒng)的混凝土箱梁,施工時對下行車道通行影響很大,同時存在安全隱患,所以設(shè)計時需選擇施工方便,受力性能好的方案。橫斷面采用單幅斷面設(shè)計,其標(biāo)準(zhǔn)寬度為11.0m,斷面布置形式為:0.5m防撞墻+0.5m路緣帶+4m小車道(3.25m小車道+0.75m曲線加寬)+5.0m大車道(3.5m大車道+1.5m曲線加寬)+0.5m路緣帶+0.5m防撞墻,機(jī)動車道采用單向1.5%橫坡,匝道依據(jù)曲率半徑和行車速度設(shè)計成超高為2%。A、B匝道上部結(jié)構(gòu)主橋均采用小懸臂鋼桁-波形鋼腹板組合梁,跨徑組合(30+40+40+30)m,橋梁長140m,圖1為橋面立面圖,橋面寬11m,梁高1.8m,(由1.5m鋼梁及30cm后澆層組成),后澆層縱向主筋和橫向主筋均采用HRB335,直徑16mm的螺紋鋼筋,圖2為主梁支點(diǎn)處斷面圖,圖3為主梁跨中處斷面圖。主梁側(cè)向懸臂長3.5m,懸臂端厚度為20cm,每2m設(shè)置一道斜撐,斜撐規(guī)格為中ue788400×16的鋼管,內(nèi)灌C50微膨脹混凝土。腹板采用波形鋼腹板,腹板中心距為4m,波形鋼腹板波長1.0m,波高20cm,厚16mm。組合梁頂板由橫向及縱向翼緣板組成,翼緣板厚16mm,并設(shè)有加勁肋及抗剪栓釘,肋高16cm,肋板上開有直徑5cm的鋼筋孔,底面鋼板通長布置,間距40cm布置一道加勁肋,加勁肋厚16mm,每4m設(shè)置一道橫隔板,鋼板及斜撐材質(zhì)均為厚度Q345q-C,澆筑后澆層時為施工方便、節(jié)省模板,施工前,在兩腹板頂部橫向鋪設(shè)壓型鋼板,壓型鋼板采用BD40-600-200閉合型,板厚1.2mm,圖4為主梁標(biāo)準(zhǔn)段壓型鋼板平面布置圖。全橋在頂板后澆層設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力,橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用3φs15.2,初始張拉應(yīng)力0.65σcon,縱向每隔1m布置一道,一邊張拉一邊錨固,圖5為主梁橫向預(yù)應(yīng)力平面布置圖。4梁單元的確定采用Midas/Civil2010空間計算軟件對B匝道的鋼-混凝土組合梁部分進(jìn)行分析。模型采用梁單元、板單元共同建模,鋼管混凝土斜撐采用梁單元,后澆結(jié)構(gòu)層、波形鋼腹板、底板采用板單元,共計4479個節(jié)點(diǎn),9639個單元。本段橋梁采用的截面為鋼-混凝土組合截面,計算時橫向預(yù)應(yīng)力參與受力,不計普通鋼筋的受力,模型中支點(diǎn)頂部考慮分縫,V形墩與主梁為節(jié)點(diǎn)自動耦合,V形墩與基礎(chǔ)為剛性連接,計算邊界條件為在反彎點(diǎn)固接,通過計算主橋的上部結(jié)構(gòu)在各種工況下的受力,確定受力最不利的構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。圖6為分析模型的三維視圖。4.1主要材料和性能表1~3給出了主要材料性能指標(biāo)取值。4.2彈性階段應(yīng)力驗(yàn)算組合Ⅰ:1.2D+1.4M;組合Ⅲ:基本組合1.2D+1.4M+1.12T;組合Ⅳ:彈性階段應(yīng)力驗(yàn)算組合1.0D+1.0M+1.0T;組合Ⅴ:1.0D[二期恒載]+1.0M。其中,D表示恒載;M表示活載;T表示溫度荷載。4.3在負(fù)荷組合的作用下，地板的重力測試由內(nèi)力計算結(jié)果可得支承處梁底最大壓應(yīng)力為34.3MPa,跨中處梁底最大拉應(yīng)力為61.4MPa,均能滿足結(jié)構(gòu)承載力要求。4.4在超載組合的作用下，屋頂?shù)膿P(yáng)力測試由內(nèi)力計算結(jié)果可得支承處梁頂最大拉應(yīng)力為111.8MPa,梁頂最大壓應(yīng)力為5.39MPa,均能滿足結(jié)構(gòu)承載力要求。4.5混凝土預(yù)壓應(yīng)力本工程中,鋼混組合梁部分的一般施工過程為:①下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)→②主梁鋼梁部分施工→③壓重施工→④混凝土后澆層施工→⑤張拉橫向預(yù)應(yīng)力鋼束→⑥撤除壓重→⑦防撞護(hù)欄施工→⑧瀝青路面施工。根據(jù)該施工過程可知,在④階段施工過程中主梁的底板在其質(zhì)量和后澆層混凝土濕重的作用下已產(chǎn)生變形,后澆層混凝土亦為流態(tài),不承受彎矩,因此在后澆層混凝土凝固后處于零應(yīng)力狀態(tài),后續(xù)施工過程施加的的荷載及成橋后的活載才對支座處上沿混凝土產(chǎn)生負(fù)彎矩,故采用荷載組合Ⅴ對后澆層混凝土進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。在計算過程中考慮支座范圍內(nèi)頂板混凝土不受拉,拉力全由鋼板承受,通過在支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)分割縫避免負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力的傳遞。對于本工程鋼-混凝土組合箱梁,后澆層混凝土在支座處于受拉狀態(tài),因此在主梁施工過程中,在臨時支架拆除后、混凝土后澆層施工前,通過在鋼箱梁跨中處進(jìn)行壓載對鋼箱梁進(jìn)行預(yù)彎處理,直至后澆層混凝土施工完,且混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%以上后撤除壓載,使主梁獲得一部分預(yù)壓應(yīng)力。壓載質(zhì)量取20t,采用集中式加載,兩跨同時加載,加載采用混凝土塊加載。加載形式如圖7所示。根據(jù)主梁在施工過程中的受力特點(diǎn),計算主梁在各工況下的受力情況,進(jìn)一步分析通過壓載主梁獲得的預(yù)壓應(yīng)力,通過計算分析可知,通過壓載處理,主梁在B6墩處的預(yù)壓應(yīng)力為σp=-10.32N/mm2,B7墩處的預(yù)壓應(yīng)力為σp=-10.63N/mm2,最終B6、B7墩處的主梁梁頂應(yīng)力分別為10.89、10.19N/mm2鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為σs=εsEs;混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系σc=εcEc;鋼、混凝土協(xié)同工作時有εs=εc,所以σc=Ecσs/Es,經(jīng)過應(yīng)力換算,B6墩處梁頂混凝土后澆層的拉應(yīng)力為σc=10.89/5.97=1.82N/mm2,B7墩處的應(yīng)力為1.71N/mm2。后澆層混凝土的強(qiáng)度等級為C60,σc,max=1.82<ftd=1.96N/mm2,混凝土后澆層的強(qiáng)度滿足要求,表4為各工況下應(yīng)力統(tǒng)計。4.6墩外側(cè)應(yīng)力分析在荷載組合Ⅴ作用下V形墩柱壓應(yīng)力最大出現(xiàn)在軸V形墩外側(cè)(圖8),軸力為FX=-645.5kN,彎矩為MY=-1287.1kN·m,應(yīng)力為σ=114.1MPa<230MPa。4.7軸類變形試驗(yàn)計算結(jié)果表明,V形墩最大位移也出現(xiàn)在軸處,Z方向位移為1.1mm,Y方向位移為1.46mm,X方向位移為10.9mm,變形滿足要求。4.8軸力、彎矩計算在荷載組合Ⅴ作用下斜撐壓應(yīng)力最大也出現(xiàn)在軸V形墩處內(nèi)側(cè),軸力為FX=-12.1kN,彎矩為MY=37.7kN·m。斜撐壓應(yīng)力計算結(jié)果σ=43.7MPa<230MPa,故該桿件截面承載力驗(yàn)算滿足要求。4.9恒載作用下?lián)隙扔嬎憬Y(jié)果表明,主橋最大豎向位移發(fā)生在跨中處。豎向恒載作用下?lián)隙葹?4mm,為L/1176<L/600(L為跨度),撓度滿足要求?？梢?主梁剛度較大,結(jié)構(gòu)變形較小,結(jié)構(gòu)安全合理。4.10鋼箱梁疲勞承載力驗(yàn)算根據(jù)JTJ025—1986《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第1.2.17條對鋼箱梁進(jìn)行疲勞承載力驗(yàn)算。取最大跨中支點(diǎn)及跨中部位進(jìn)行疲勞驗(yàn)算,表5為疲勞驗(yàn)算結(jié)果。5主梁自振頻率及自振周期對B匝道橋的前10階振型進(jìn)行空間動力分析,其振型參與質(zhì)量百分比均超過90%,主梁第1階自振頻率2.65Hz,結(jié)構(gòu)整體剛度好,各個模態(tài)的自振頻率和自振周期詳見表6。圖9為前4階振型模態(tài)。6特征值對B匝道橋的前10階模態(tài)進(jìn)行空間穩(wěn)定性分析,第1階屈曲穩(wěn)定分析特征值為18.18,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,各階模態(tài)的屈曲穩(wěn)定特征值詳見表7,圖10為前4階屈曲失穩(wěn)模態(tài)。7結(jié)構(gòu)體系分析1)鋼桁-波形鋼腹板共同工作,波形鋼腹板主要解決縱向抗剪問題,懸臂鋼管混凝土桁主要解決橫向抗彎問題。主梁第1階自振頻率2.65Hz,結(jié)構(gòu)整體剛度好;第1階屈曲穩(wěn)定分析特征值為18.18,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。2)懸臂鋼桁-波形鋼腹板組合