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攀枝花市新密地大桥主拱圈设计

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桥梁建设2014年第44卷第5期(总第228期) 108 Bridge Construction,Vo1.44,No.5,2014(Totally No.228) 文章编号:1003—4722(2014)05—0108—04 攀枝花市新密地大桥主拱圈设计 蒋建军,蒋劲松 (四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院,四川成都610041) 摘要:攀枝花市新密地大桥为上承式钢筋混凝土箱形拱桥,孔跨布置为(27.5+22.55+ 189.9+22.55+27.5)m,主拱圈为悬链线无铰拱,采用挂篮悬臂浇筑法施工。主拱圈净跨径182 m、净矢高30.333 m、净矢跨比1/6、拱轴系数1.988。拱圈截面为单箱双室,高3.5 m、宽9.6 m。 主拱圈的拱顶预拱度设计值为0.36 m,为净跨径的1/506。采用MIDAS Civil软件建模进行成桥 弹性阶段主拱圈应力验算,结果表明,主拱圈各截面上缘和下缘的正应力均为压应力,关键截面最 小压应力为0.97 MPa,最大压应力为15.4 MPa,无受力裂缝,有利于提高结构耐久性 关键词:拱桥;钢筋混凝土结构;悬臂浇筑法;主拱圈;有限元法;桥梁设计 中图分类号:U448.223;U442.5 文献标志码:A Design of Main Arch Ring of New Midi Bridge in Panzhihua City JIANG Jian—j u.,JIANG din—song (Highway Planning,Survey,Design and Research Institute,Department of Transport,Siehuan Province,Chengdu 610041,China) Abstract:The New Midi Bridge in Panzhihua City is a reinforced concrete deck box arch bridge with span arrangement(27.5+22.55+189.9+22.55+27.5)m.The main arch ring of the bridge is the catenary hingeless arch and is constructed by the traveling carriage cantilever casting method.The net span length of the arch ring is 182 m,net rise is 30.333 m,net rise—to— span ratio is 1/6 and the arch axis coefficient is 1.988.The cross section of the arch ring is the double-cell single box that is 3.5 m high and 9.6 m wide.The designed value of the arch top pre— cambering of the arch ring is 0.36 m that accounts for 1/506 of the net span length.The software MIDAS Civil is used to establish the models and the checking calculation of the stress of the arch ring at the elastic stage of the completed bridge is implemented.The results of the calculation show that the normal stress of the upper and lower edges of the various cross sections of the arch ring is all the compressive stress.The minimum compressive stress of the critical section is 0.97 MPa while the maximum compressive stress is 15.4 MPa.The cross sections have no loading cracks,which is good for improvement of the structural durability. Key words:arch bridge;reinforced concrete structure;cantilever casting method;main arch ring;finite element method;bridge design 1工程概况 为30 m,双向6车道;设计洪水频率为1/300;通航 攀枝花市新密地大桥横跨金沙江,为上承式钢 等级为Ⅳ级;地震动峰值加速度为0.15g。主拱圈 筋混凝土箱形拱桥,孔跨布置为(27.5十22.55+ 为净跨径182 m、净矢高30.333 m、净矢跨比1/6、 189.9+22.55+27.5)m,分上、下游两幅桥,桥梁 拱轴系数1.988的等高截面(高3.5 m)悬链线无铰 全长296 m,见图1。该桥设计荷载为公路一I级、 拱,混凝土强度等级为C5O,采用挂篮悬臂浇筑法施 人群3.0 kN/m。;设计速度为60 km/h;桥面宽度 工 ]。半幅主拱圈分31个节段,1号节段为拱脚搭 收稿日期:2013—05—30 作者简介:蒋建军,高级工程师,E—mail:JJi一999@sohu.com。研究方向:桥梁设计。 攀枝花市新密地大桥主拱圈设计 蒋建军,蒋劲松 109 29 600 15×1 266 图1 新密地大桥桥型布置 Fig.1 Arrangement of New Midi Bridge 架现浇段,2~15号节段为挂篮悬臂浇筑段,16号节 择拱轴线的原则是尽可能降低由于荷载产生的弯 段为吊架浇筑合龙段,两岸对称布置。 主拱圈截面宽9.6 m、高3.5 m,标准截面顶 板、腹板和底板厚度均为3O cm,见图2。拱脚段受 小 矩 ]。该桥拱上结构为垫梁、立柱、横墙、盖梁和小 箱梁,立柱纵向间距较小,恒载集度从拱顶至拱脚连 续分布、逐渐增大,恒载压力线与悬链线最为接近, 有利于主拱圈受力,因此该桥采用悬链线拱。 力较大,其顶、底板厚度由30 cm线性渐变至60 cm,腹板厚度由30 cm线性渐变至50 cm。 根据桥位区的地形条件、地质条件、通航和行洪 论证,确定主桥的净跨径为182 m。 2.2主拱圈的净矢跨比设计 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范》(JTG D62—2004)规定钢筋混凝土拱的矢跨比 宜采用1/5~1/8。上承式拱桥的矢跨比主要取决 于起拱线至桥面的高差、通航净空尺度、桥梁美学及 结构受力_4],根据该桥特点,具体分析如下: (1)该桥起拱线到桥面的高差为36.7 m,扣除 单位:cm 拱上建筑、主拱圈高度后,起拱线至拱顶截面底缘高 30~33 m,因此净矢跨比为1/5.87~1/6.O7。 图2拱圈标准横断面 Fig.2 Typical Cross Section of Main Arch Ring (2)该桥位处通航等级为规划Ⅳ级,需要至少 满足90 m×8 m的通航净空尺度,净矢高不得低于 主桥主梁为15孑L 12.66 m预应力混凝土简支 小箱梁,桥面连续构造。拱上设置垫梁、双柱式立柱 和横墙,均为现浇钢筋混凝土结构。引桥为预应力 混凝土简支小箱梁。 2主拱圈设计 29 m,净矢跨比不能小于1/6.27。 (3)从桥梁美学来看,主拱圈为带有强大张力 的凸曲线,主桥主梁为纤薄柔美的直线,两者在拱顶 处越近甚至结合为整体刚性节点,美学效果越好。 (4)从悬链线无铰拱的受力特性来看,一般拱 脚段由负弯矩控制,拱顶段由正弯矩控制,而拱脚的 负弯矩绝对值往往要大于拱顶正弯矩值,因此采用 较大的矢跨比对主拱圈受力有利。 2.1 主拱圈的总体结构和净跨径设计 该桥桥位处金沙江最高通航水位时江面宽约 233.6 m,两岸存在4条平行的既有道路,且桥面距 综合考虑上述因素后,该桥净矢跨比取1/6。 2.3主拱圈的截面尺寸设计 离河面约46 m,若采用中承式拱或下承式拱,桥梁 跨径和规模均过大,因此该桥采用上承式拱。三铰 拱和两铰拱的结构整体性差,构造复杂,施工困难, 主拱圈的净跨径和净矢跨比确定后,拱上结构 的恒载基本确定,可进行截面尺寸设计和拱轴系数 优化。该桥所在场地的地震烈度较高,为提高结构 的抗震性能和方便施工,主拱圈采用单箱双室截面。 不利于抗震 l3],因此该桥采用无铰拱体系。拱轴 线的形状直接影响主拱圈截面内力分布与大小,选 110 桥梁建设 Bridge Construction 该项目桥位区风速较大,采用比较扁平的拱圈 结构型式,有利于施工期桥梁的抗风稳定性。该桥 圈的拱顶预拱度值===扣索拆除后主拱圈下挠值 +合龙后混凝土收缩徐变产生的挠度值 z+拱上 结构恒载产生的挠度 +i/2可变频遇值计算的长 期挠度值乱。其中 、 和文容易求得,但是 z受 施工过程和计算理论影响,不能准确求得,因此预拱 主拱圈宽9.6 m,其宽跨比1/18.958。根据对已建 工程的统计,采用悬臂浇筑法施工的钢筋混凝土拱 桥,其主拱圈截面的高跨比一般在1/50~1/60,跨径 200 m以上时多采用变高度截面 q]。为提高截面的 抗弯惯性矩,降低施工期截面上、下缘应力,该桥选用 度设置时宜适当增大调整。根据计算,该桥主拱圈 的拱顶预拱度值取36 cm,为净跨径的1/506。 了较大的高跨比,截面高取3.5 m,高跨比为1/52。 2.4主拱圈的拱轴系数优化设计 为使悬链线拱轴与恒载压力线接近,一般采用 “五点重合法”、“无矩法”确定悬链线拱轴的m 值_3]。《山区大跨径钢筋混凝土箱型拱桥的设计及 施工技术研究》中提出可以考虑采用“最小弯曲能量 原理法”或“弯矩平方和最小法”来优化拱轴系数 j。 该桥主拱圈采用等高截面,局部板厚加大,设计初期 可按等截面考虑,采用弯矩平方和最小法来初选拱 轴系数。对于大跨径钢筋混凝土拱桥,采用恒载压 力线与拱轴线接近的原则并不能保证主拱圈在运营 阶段受力最合理,为此,分析了不同拱轴系数对拱圈 受力的影响,结果见表1。 表1拱轴系数对拱圈受力的影响 Tab.1 Impact of Arch Axis Coefficients on Force Conditions of Main Arch Ring 主拱圈弯矩/kN・m 拱脚L/4 拱顶 各截面中最大值 7J"l一1.468 25 80O m一1.756 33 600 m=1.878 38 600 m一1.988 39 5O0 m一2.240 41 800 从表1可以看出:①拱轴系数越小,拱脚负弯 矩越大,拱顶正弯矩越小;②L/4截面的弯矩较小, 不控制设计;③各截面中最大正弯矩比拱顶弯矩稍 大(与拱上结构位置有关),最大负弯矩在拱脚处。 根据成桥阶段分析计算,考虑汽车荷载、人群荷 载、混凝土收缩徐变、温度、浮力、基础沉降、地震等 作用,拱脚截面的极限承载力受负弯矩控制,因此, 在恒载作用下拱脚截面的负弯矩较小(绝对值),有 利于成桥状态结构受力,为实现成桥运营期主拱圈 全截面受压提供了储备。综合考虑后,该桥主拱圈 的拱轴系数取1.988。 2.5主拱圈的预拱度设计 预拱度设计实质上是对主拱圈线形变化的修 正,采用劲性骨架法施工时,拱顶预拱度取值较大, 而采用悬臂浇筑法施工时取值较小[2 。该桥主拱 3成桥弹性阶段主拱圈应力验算 为了确保主拱圈在使用阶段全截面受压,避免 受力裂缝的存在影响其耐久性,需要进行成桥弹性 阶段主拱圈应力验算。结构计算采用MIDAS Civil 程序建模,主拱圈、拱上结构、桥塔采用梁单元模拟, 扣索和锚索采用桁架单元模拟,拱座处节点固结。 为了考虑施工过程对主拱圈内力和线形的影响,对 桥梁整体结构进行了从施工至成桥全过程的空间模 拟。计算考虑的荷载和作用有:恒载、收缩徐变、体 系温差与梯度温度、汽车荷载、制动力、人群荷载、风 荷载、浮力、基础不均匀沉降。在弹性阶段应力验算 最不利组合作用下(各荷载分项系数均取1),主拱 圈各截面上、下缘均处于受压状态,其中关键截面 (拱脚、L/8、L/4、3L/8、拱顶)顶板和底板的应力包 络值见表2(表中负值表示受压)。 表2主拱圈关键截面的应力包络值 Tab.2 Str ̄s Envelope Values of Critical Sections of Main Arch Ring 由表2可知,在弹性阶段,主拱圈各截面上缘和 下缘的正应力均为压应力。关键截面处顶板上缘的 最小应力为2.35 MPa,最大应力为15.4 MPa;关键 截面处底板下缘的最小应力为0.97 MPa,最大应力 为14.8 MPa,满足成桥阶段全截面受压的要求,无 受力裂缝,有利于提高结构耐久性。 4 结 语 攀枝花市新密地大桥是目前国内已建成的采用 悬臂浇筑法施工的最大跨径钢筋混凝土箱形拱桥。 主拱圈采用了上承式悬链线无铰拱,净跨径取182 m。通过对国内外大跨径钢筋混凝土拱桥的矢跨比 攀枝花市新密地大桥主拱圈设计 蒋建军,蒋劲松 进行调查,结合该项目桥面高度、通航净空尺度、桥 梁景观,净矢跨比取1/6。为了提高结构的整体受 力性能、抗震性能、抗风稳定性和方便施工,主拱圈 采用了单箱双室截面,高3.5 m、宽9.6 m。采用弯 矩平方和最小法初选了拱轴系数,并结合成桥阶段 受力特点对拱轴系数进行优化,最终拱轴系数取 1.988。根据该桥施工特点,预拱度设置考虑了扣索 拆除后主拱圈下挠值、合龙后收缩徐变产生的挠度 值、拱上结构恒载产生的挠度、1/2可变频遇值计算 的长期挠度值,拱顶预拱度为36 cm。采用MIDAS Civil软件建模进行成桥弹性阶段主拱圈应力验算, 结果表明:主拱圈各截面上缘和下缘的正应力均为 压应力,无受力裂缝,有利于提高结构耐久性。 参考文献(References): [1] JTG/J F50—2011,公路桥涵施工技术规范Is]. 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