瓦莊京杭運河大橋設計
2017-04-24
1 工程概況
瓦莊京杭運河大橋是江蘇省徐州市徐（州）賈（汪）快速通道建設工程中的1座新建大橋，橋址位于徐州市賈汪區(qū)瓦莊村附近，橋梁與京杭運河航道中心線夾角為90°，橋梁中心樁號K13+112.00，京杭運河航道中心與主線交叉樁號K13+127.00。橋位處水面寬度約104m，兩岸大堤間距150m，橋位處河道規(guī)整順直，兩岸堤頂防洪通道按6×4.5m預留。京杭運河該段為Ⅱ級航道，通航凈空90×7m。其橋孔布置為: （4×30）m +（5×30）m+（60+100+60）m +（4×30）m +（4×30）m，橋梁全長738.2m,主橋上部結構采用三跨PC變截面連續(xù)箱梁，主墩采用矩形實體墩；引橋上部采用30m標準跨徑的部分預應力混凝土連續(xù)箱梁。
2 主要技術指標
（1）設計荷載：公路－I級
?。?）橋梁寬度： 2×(0.5m（墻式護欄）+11.5m（行車道）+0.75m（波形梁護欄）)＝2×12.75m
?。?）地震動峰值加速度：0.1g
（4）設計洪水頻率：1/100。
?。?）京杭運河為Ⅱ級航道，通航凈空（90×7.0m）。
3 結構設計與分析
3.1結構設計
主橋上部結構為60m+100m+60m三跨PC變截面連續(xù)箱梁，平面位于直線上。PC箱梁采用單箱單室箱形截面，箱梁根部梁高5.8m，高跨比為1/17.24，中跨跨中及邊支點梁高2.5m，高跨比為1/40，箱梁梁高及底板厚度分別按1.8次拋物線變化。箱梁頂板厚28cm，底板厚跨中為30cm、曲線變化段終點厚80cm，箱梁腹板厚跨中段50cm，根部附近80cm，漸變段長7.4m。箱梁頂板寬12.75m，底板寬6.0m，翼緣板懸臂長為3.375m。為改善箱梁根部截面受力，降低大體積混凝土澆注因水化熱產生有害裂縫，0號塊采用雙臂空間框架結構，箱梁除在邊跨端部設厚2.0m的橫隔板外，為提高中跨結構整體性，在中跨跨中設置30cm厚跨中橫隔板。主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預應力體系。
圖1 箱梁橫斷面圖（單位：cm）
主橋連續(xù)箱梁采用掛籃懸臂現澆法施工。各單“T”箱梁除0號塊外分為13個對稱懸澆梁段，箱梁縱向分段長度為（4×3.0＋4×3.4＋5×4）m。其中0號塊長6.8m，在墩旁托架上現澆施工，其余箱梁兩個“T”同時對稱懸臂澆筑。主橋共設兩個邊跨合攏段和一個中跨合攏段，邊中跨合攏段長度均為2m，邊跨現澆段長度為8.84m。懸臂現澆梁段最大重量為126.2噸，掛籃自重按65噸考慮。
主橋橋墩采用矩形實體墩，截面尺寸為7m（橫向）×3.6m（縱向），基礎采用整體式承臺，承臺尺寸10.8m（橫向）×9.8m（縱向）×3.5m，每墩采用8φ1.6 m的鉆孔灌注樁，梅花形布置；過渡橋墩采用2φ2.0m的柱式墩，基礎采用6φ1.5m的鉆孔灌注樁。
3.2結構靜力分析
主橋上部結構靜力分析采用“橋梁博士v3.2”進行，并采用公路橋梁結構分析軟件“GQJS9.6”進行驗算，分別包括成橋狀態(tài)下恒載、活載、預應力、混凝土收縮徐變（按3000d計）、支座強迫位移（按2.0cm計）、溫度變化（整體升降溫按±22℃計，梯度溫度正溫差按T1=14℃、T2=5.5℃并考慮橋面鋪裝折減）等荷載作用的計算。計算中按有關規(guī)范規(guī)定對各荷載進行不同的荷載組合，對結構的強度、剛度和應力做了驗算。
表1 截面正應力單位：MPa
階段 中跨墩支點 中跨跨中 邊跨墩支點 邊跨跨中
上緣 下緣 上緣 下緣 上緣 下緣 上緣 下緣
成橋階段 7.1 8.6 5.1 10.2 3.2 5.1 5.2 6.4
長期組合 最小 6.3 8.2 5.4 8.8 2.1 4.8 4.1 4.6
短期組合 最大 12.4 11.9 13.6 12.7 6.1 6.2 13.8 9.6
最小 0.4 9.2 1.8 2.0 1.4 3.2 1.4 1.3
箱梁橫向分析分別采用框架和簡支板考慮固端影響兩種結構模式進行計算，擇其大者控制截面設計，并以此配置橫向預應力鋼束及箱梁頂板橫向鋼筋。
主橋上部結構施工階段計算，按照梁段劃分、施工順序及工藝，對每一梁段均考慮掛藍移動就位、澆注混凝土、張拉預應力等三個施工過程。分別對各梁段施工過程中的內力、應力、撓度進行計算和驗算。主橋按先邊跨合攏，后解除臨時錨固，最后進行中跨合攏的順序考慮，合攏溫度控制在15℃ 左右。
對主橋施工過程中單T進行了下述幾種工況的驗算，并以此控制臨時固結所需的預應力粗鋼筋及臨時支承的設計。
?。?）最后一個懸臂段不同步施工，一側施工，另一側空載；
?。?）最大懸臂時，一端承受最大風載，另一側空載；
?。?）一側堆放材料、機具等按8.5kN/m計，懸臂端作用200 kN集中力，另一端空載；
?。?）一側施工機具等動力系數1.2，另一側0.8；
（5）考慮箱梁自重的不均勻性，一側懸臂自重增加4％，另一側懸臂自重減少4％；
3.3預應力體系及鋼束布置
主橋箱梁設計采用縱、橫、豎三向預應力體系。
箱梁頂板橫向預應力采用抗拉強度標準值fpk=1860MPa的3φs15.2鋼絞線，BM 15-3扁錨,以50cm間距布設，交替單端張拉錨固，單根張拉力195.3kN。
箱梁豎向預應力采用JL32高強精軋螺紋粗鋼筋，抗拉強度標準值fpk=785MPa，設計張拉力568.2KN，豎向預應力筋以50cm基本間距布設，腹板加厚梁段每側腹板按雙肢配置，其余各梁段每側腹板均按單肢配置。
主橋箱梁縱向預應力設置頂板束和腹板下彎束，在頂板布置19φs15.2鋼絞線，在腹板、底板布置17φs15.2鋼絞線，OVM錨固體系，錨下張拉控制應力σcon=0.73fpk=1357.8MPa，為提高主橋結構的安全性及耐久性，縱向預應力管道均采用塑料波紋管，采用真空壓漿成套技術。
主橋上部結構按全預應力構件設計，分別進行持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算和正常使用極限狀態(tài)驗算以及無附加安全系數構件應力驗算，各項結果均滿足規(guī)范要求。
4、施工要點
主橋箱梁雙幅橋兩個單T分別采用對稱懸臂澆注法施工，合攏后經體系轉換成連續(xù)箱梁橋。
安裝永久支座，澆注臨時支座。利用墩頂及墩旁托（支）架澆注箱梁墩頂塊件，用高強精軋螺紋粗鋼筋（或施工單位成熟可行的方法）形成梁墩固結，并張拉梁段上預應力鋼束。墩頂塊件混凝土應一次澆注完成。箱梁墩頂塊件體積大，預應力孔道及鋼筋密集，施工中應確保預應力孔道定位準確，注意混凝土振搗密實，確?；炷潦┕べ|量。澆注混凝土應采取減少水化熱的有效措施，避免發(fā)生溫度收縮裂縫。
安裝施工掛藍，從1號梁段至13號梁段采用掛藍逐段懸臂對稱、平衡澆注施工，張拉各階段預應力鋼束，各梁段混凝土應一次澆注完成，掛藍應在鋼束張拉完成及孔道壓漿達到設計強度后方可向前移動。各懸臂單T完成后，相鄰兩懸臂端相對豎向撓度差不大于2cm。
為保證豎向預應力筋能充分發(fā)揮作用，豎向預應力筋必須進行復拉，復拉時間間隔為15～20天。豎向預應力張拉后，應對豎向預應力鋼筋的永存應力做抽檢。抽檢數不得小于總鋼筋根數的5％。
各單T澆注至最大懸臂，澆注邊跨合攏段，解除臨時固結，澆注中跨合攏段，完成體系轉換，成為三跨連續(xù)梁。合攏段采用外剛接勁性骨架合攏，合攏段混凝土的澆注應在一天氣溫最低時進行。
5、本橋結構特點
5.1懸澆鋼束設計
頂板懸澆鋼束設計一般有三種方案：一是完全采用直束，該種方案施工時穿束方便，便于施工，腹板的主拉應力控制較多的依賴豎向預應力鋼筋，而工程中豎向預應力鋼筋施工質量較難保證，最近幾年出現較多因豎向預應力鋼筋施工質量控制不好而腹板出現裂縫的實例。二是完全采用下彎束；三是采用下彎鋼束與直束相結合的方法，本橋設計中頂板懸澆鋼束采用直束和下彎鋼束結合的方案，即考慮施工方便又很好地控制了主拉應力，防止箱梁腹板出現的剪切斜裂縫。
5.2零號塊設計
變截面連續(xù)梁零號塊一般采用實體形式，零號塊混凝土體積大，鋼束及普通鋼筋布置復雜，混凝土澆注時產生大量水化熱，很容易產生有害裂縫，造成結構永久性傷害，本橋零號塊采用雙薄臂結構，大大降低了混凝土澆注產生的水化熱，避免了零號塊產生有害裂縫。
5.3真空灌漿技術
本橋縱向預應力鋼束全部采用塑料波紋管，真空壓漿技術；常規(guī)設計經常采用預埋金屬波紋管成孔，常規(guī)壓漿施工，容易造成金屬波紋管孔道壓漿不密實，金屬管及鋼束容易銹蝕，嚴重影響結構耐久性；真空壓漿技術克服了以上缺點，而且塑料波紋管管道摩擦系數比金屬管小的多，能減少預應力損失，增加有效預應力，節(jié)省預應力鋼材，降低造價。
6、結語
瓦莊京杭運河大橋，主橋上部結構采用(60+100+60)m三跨PC變截面連續(xù)箱梁,三向預應力體系；以上主要介紹了該橋的結構設計特點、鋼束布置、施工要點，可供廣大設計者在類似橋梁設計中參考，目前該橋順利施工中。
參考文獻
?。?］ JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》［S］.北京：人民交通出版社.
［2］ 公路橋涵設計手冊《預應力技術及材料設備》［S］.北京：人民交通出版社.
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