超大悬臂展翅连续箱梁桥设计.pdf
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1、972023年6 月中路夕第43 卷第3期DOI:10.14048/j.issn.1671-2579.2023.03.015超大悬臂展翅连续箱梁桥设计钟浩(中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉分公司,湖北武汉410074)摘要:近年来,随着城市桥梁建设的飞速发展,桥梁在建设工程中不可避免地需要跨越既有铁路和道路,该类跨线桥梁具有跨度大、桥墩空间受限等特点。同时,为满足日益增长的交通量需求,桥梁横向宽度越来越大,因此,大悬臂展翅箱梁结构的应用日益广泛。该文以武汉四环线北段(武湖一吴家山)上跨铁路桥梁工程为背景,介绍超大悬臂连续梁桥的设计难点,并结合理论计算,针对结构受力特点、应力状态进行分析,从结
2、构设计的角度提出解决思路和措施,为今后类似工程项目的设计提供借鉴和参考。关键词:桥梁工程;展翅箱梁;结构设计;涉铁工程;超大悬臂;剪力滞效应中图分类号:U442.5文献标志码:A1工程概况武汉市四环线北段(武湖一吴家山)起自黄陂区武湖农场汉施公路与刘大公路交叉口北侧,接青山长江公路大桥,止于东西湖区G107与十一支沟交叉处,路线全长47.113km。在线路里程K40十42 9.0 位置与既有铁路交叉,自南向北依次上跨京广上行客运线、京广下行客运线和京广下行货运线以及武汉北下行环发线。涉铁段跨线采用(90 十150 十90)m预应力混凝土连续箱梁桥12工程结构设计2.1总体设计本桥平面位于直线上
3、,采用整幅布置,桥面为:1.632m防撞护栏+19.0 6 8 m机动车道+1.5m分隔带+19.0 6 8 m机动车道+1.6 32 m防撞护栏,路面为沥青混凝土结构。本桥纵断面位于R=16000m的凸形竖曲线上及纵坡为1.2 5%的下坡段上。桥梁设计荷载为公路-I级,结构设计基准期为100年。抗震设防烈度6 度,抗震设防措施等级为7级,设计基本地震加速度为0.0 5g。2.2结构设计为降低该工程建设过程对既有铁路运营的不利影响,设计采用两个2 7 1mT构转体施工,转体完成后,依次采用支架现浇边跨和中跨合龙段。桥梁上部结构采用变高连续箱梁截面,梁高按1.8 次抛物线变化,跨中截面梁高为3.
4、5m,中支点处梁高为10m。截面为单箱三室,箱梁顶宽42.9m,底宽2 7 m,沿横桥向展翅悬臂长达7.95m。顶板厚2 5cm,中腹板厚8 0 140 cm,边腹板厚10 0 16 0 cm,支点位置腹板加厚。底板厚由跨中的2 8 cm按抛物线变化至中支点根部的10 0 cm,支点截面加厚至150 cm,桥梁标准横断面如图1所示。梁体采用纵、横、竖三向预应力体系,纵向预应力钢束采用2 1g*15.2mm、19g 15.2 m m、17 g 15.2mm15g15.2mm、4g*15.2 m m 共5种类型钢束;横隔梁预应力采用9g15.2mm钢绞线,横梁预应力采用19g15.2mm、15g
5、15.2 mm两种类型钢绞线;主桥箱梁梁高大于4m段腹板内布置了竖向预应力,在每个腹板中采用单排交错布置,竖向预应力采用4g15.2mm钢绞线。收稿日期:2 0 2 2-11-11(修改)基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:52 0 7 8 0 54);湖南省研究生科研创新项目(编号:CX20200832)作者简介:钟浩,男,硕士,工程师.E-mail:公中路98外第43 卷4290163.21906.81501.906.8163.210cm厚沥青混凝土桥面铺装防水层2.5%2.5%7952.700795图1桥梁标准横断面(单位:cm)3.3解决思路与措施3设计重难点及解决思路3.1结构
6、特点本桥跨越既有铁路,由于桥下空间受限,采用超大悬臂展翅连续箱梁结构2-5,该桥梁在结构上具有以下特点:跨径大,该预应力混凝土连续箱梁桥主跨为150 m;桥梁横向宽度大,桥面为单幅布置,横向宽度达42.9m;超大悬臂,该桥梁单侧悬臂长度为7.9 5m,两侧悬臂长度超过箱梁横向宽度的1/3;由于悬臂较长,使得箱梁结构处于三向受力状态,空间应力分布复杂6 7 3.2结构设计重难点针对以上所述该桥梁超大悬臂展翅箱梁的结构特点,使得该类结构在空间上受力复杂,横向效应明显8-9,因此,在结构设计上存在以下需要解决的重难点:(1)大悬臂展翅的结构特点导致箱梁的剪力滞效应较为突出10-13。梁体沿纵向各截面
7、的顶、底板正应力分布已经不再适用初等梁理论。纵向挠曲正应力沿翼缘板宽度方向不再表现为均匀分布,悬臂翼缘段应力变化最为急剧。并且,翼缘越长,该特征会越明显。因剪力滞后效应较为明显,使得本桥箱梁结构受力复杂,设计过程中对该桥梁结构的力学分析较为困难。(2)本桥箱梁悬臂较长,使得桥梁结构在自重、汽车等荷载作用下,处于复杂的三向受力状态。并且大悬臂展翅箱梁的悬臂结构将在悬臂根部产生较大的横桥向弯矩,对结构横向受力较为不利,甚至导致悬臂根部顶板易开裂14-16(3)较大的悬臂长度会使箱梁悬臂端部在结构自重、二期恒载等作用下产生竖向挠度过大的问题,且难以控制。针对超大悬臂展翅箱梁结构横向受力复杂和剪力滞效
8、应明显的重难点问题,本桥在结构上设置了横隔板17 2 0 1。横隔板原则上沿纵向每3.5m设置一道,全桥共计95道,横隔板厚2 2 cm,1#块横隔板设置如图2 所示。1050250350350100os4020000O通风孔8SL86LS4032440S91608:06图21块横隔板布置示意图(单位:cm)设置横隔板后,大悬臂展翅箱梁的悬挑翼缘由原先一边支撑的悬臂受力状态变为三边支撑板受力状态,改善了展翅箱梁结构不利的悬臂受力模式,提高了结构的受力性能。横隔梁作为悬挑翼缘的支撑结构,其自身沿横向处于不利的悬臂受力模式。本桥通过对横隔梁和横梁分别配置横向预应力钢束来满足结构受力的要求2 1。横
9、隔梁与横梁的预应力钢束具体布置形式如图3所示。4结构受力计算4.1整体模型计算采用通用有限元软件Midas/Civil建立全桥模型2 2 ,将梁体沿纵向离散为2 8 8 个梁单元,全桥共计289个节点,全桥有限元模型如图4所示。99钟浩:超大悬臂展翅连续箱梁桥设计2023年第3期79513501350HL1HL2HL3325102510251.325135013501/2端横梁构造图1/2端横梁预应力布置图图3横隔梁与横梁预应力钢束布置示意图(单位:cm)通过有限元分析得到,桥梁在施工阶段,上缘最大压应力为15.4MPa,下缘最大压应力为11.2 MPa,主梁最大挠度在边跨,为0.3cm,最大
10、反拱位移在中跨,为8.1cm。标准组合下,结构上缘最大应力为15.4MPa,下缘为11.2 MPa,标准组合下1/2 主梁上、下缘应力包络图如图5所示。图4全桥有限元模型1.49318e+0000.00000e+000-1.57662e+000-3.11152e+000-4.64642e+000-6.18131e+000-7.71621e+000-9.251.11e+000-1.07860e+001-1.23209e+001-1.385.58e+001-1.53907e+001(a)上缘1.73338e-0010.00000e+000-1.89965e+000-2.93615e+000-3.9
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