整體式橋臺(tái)橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究論文
摘要：分析了整體式橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的結(jié)構(gòu)與土體相互作用、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次應(yīng)力、臺(tái)后填土抵抗作用等顯著特點(diǎn)，探討了黑龍江富裕整體式橋臺(tái)橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和細(xì)部構(gòu)造的特殊性設(shè)計(jì)，并對該橋的計(jì)算要點(diǎn)進(jìn)行了簡要分析，對該類型的橋梁設(shè)計(jì)給出了實(shí)際可行的建議。
關(guān)鍵詞：整體式橋梁；橋梁設(shè)計(jì)；框架；結(jié)構(gòu)－土的相互作用；土的水平抗力系數(shù)
中圖分類號(hào)：U443．21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
近來，國內(nèi)外整體式橋臺(tái)橋梁(即沒有接縫的橋梁)建造的越來越多。這是由于相比傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)來說，這種橋梁在提高橋梁耐久性和行車的舒適性以及管養(yǎng)方面所占有的優(yōu)勢。眾所周知，橋梁伸縮縫不僅極易磨損，而且維修費(fèi)用很高。盡管這些設(shè)備的制造費(fèi)在總建造費(fèi)中僅占3%左右，但其養(yǎng)護(hù)費(fèi)用卻占整個(gè)結(jié)構(gòu)總養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的12%左右。而且，磨損的伸縮縫也是橋梁結(jié)構(gòu)受損的原因。例如，易漏的接縫會(huì)滲入解凍劑。而整體式橋臺(tái)橋梁的誕生很好地解決了這一難題。其將上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行固結(jié)可得到最優(yōu)化的利用，使得更小的截面和高跨比成為可能。這樣，結(jié)構(gòu)使用的材料少了，從美學(xué)角度看更吸引人；同時(shí)，由于上下部固結(jié)帶來的內(nèi)力和彎矩的重分布可提高結(jié)構(gòu)承載能力，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)提高。本文通過黑龍江富裕整體式橋臺(tái)橋梁的設(shè)計(jì)，分析了整體式橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的顯著特點(diǎn)，探討了整體式橋臺(tái)橋梁的設(shè)計(jì)、計(jì)算和細(xì)部構(gòu)造的特殊性設(shè)計(jì)。
1整體式橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的顯著特點(diǎn)分析
(1)整體式橋梁結(jié)構(gòu)中上下部結(jié)構(gòu)連接在一起，整個(gè)結(jié)構(gòu)嵌入在周圍土地中，并與土體相互作用。
(2)由于變形受到約束，以及溫度效應(yīng)和支座的不均勻沉降，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生次應(yīng)力。次應(yīng)力會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力特性，特別是在正常使用極限狀態(tài)下。
(3)對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)需要靠考慮到部分預(yù)加力并不會(huì)對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，而通過下部結(jié)構(gòu)直接傳至基礎(chǔ)。
(4)所產(chǎn)生的次應(yīng)力很大程度依賴于結(jié)構(gòu)幾何形狀、上下部結(jié)構(gòu)的剛度比以及基礎(chǔ)的剛度。對于上下部結(jié)構(gòu)固結(jié)起來的結(jié)構(gòu)，需要對結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度進(jìn)行如實(shí)建模，從而通過計(jì)算模型可得到真實(shí)荷載。在模擬整體式橋的基礎(chǔ)時(shí)，取用土的不利地質(zhì)參數(shù)并不是一個(gè)保守的方法。事實(shí)上，如果基礎(chǔ)剛度取得太小，溫度效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)產(chǎn)生的約束反力就會(huì)被低估，這就是整體式橋梁在計(jì)算約束反力時(shí)常需要考慮地質(zhì)參數(shù)的上限值和下限值而分別計(jì)算的原因。
(5)承載能力極限狀態(tài)下，混凝土結(jié)構(gòu)開裂后其剛度減小，由約束產(chǎn)生的內(nèi)力和彎矩會(huì)相應(yīng)地減小。因此，選擇恰當(dāng)?shù)臉?gòu)件截面形式可以在一定程度上控制所產(chǎn)生的次應(yīng)力的大小。
(6)基本上不管約束力如何，整體式橋梁和有接縫的傳統(tǒng)橋梁一樣，溫差作用下在縱橋向會(huì)經(jīng)歷相同的長度改變，但是，其伸縮不是通過設(shè)置的伸縮縫而得以減少，而是傳遞到橋臺(tái)的臺(tái)背后填土上。根據(jù)每次溫差變化大小，橋臺(tái)的背墻土?xí)邢蚯胺胶秃蠓降腵偏移，并且每年都有達(dá)到最大值。此外還需考慮因徐變和收縮產(chǎn)生的單向移動(dòng)速率。
(7)施工結(jié)束后，即刻產(chǎn)生的靜止土壓力會(huì)因橋臺(tái)首次離開土體方向的移動(dòng)而緩解，即主動(dòng)土壓力。相反地，橋臺(tái)向土體推移產(chǎn)生部分被動(dòng)土壓力，特別是在上層土體中。在溫差變化下，這種周期性反復(fù)的移動(dòng)會(huì)壓實(shí)后背填土。除了下層土壓力增大外，這種壓實(shí)作用會(huì)使后背填土沉降。徐變和收縮引起的背填土離開土體方向移動(dòng)，會(huì)進(jìn)一步使后背填土沉降。因此，在不同跨徑的整體式橋梁中會(huì)常采用不同形式的橋頭搭板。
2富裕立交橋設(shè)計(jì)
2．1工程簡介
富裕立交橋?yàn)楹邶埥〉谝蛔w式橋臺(tái)橋梁，坐落在嫩泰高速訥河至嫩江段K55+680處，該橋位于黑龍江省齊齊哈爾市富�？h境內(nèi)，連接富裕縣城與工業(yè)園區(qū)，重載車輛較多，建成于2009年10月，運(yùn)營7年，狀態(tài)良好。
2．2總體幾何布置
基于橋位和跨越國道的要求，該橋設(shè)計(jì)為一座跨徑布置為4×16m、橋?qū)挒閮?2m的橋梁，該橋?yàn)橹睒蚯覙蛄旱闹休S線與橋下國道相交成90°的角，縱向位于半徑Ｒ=2000m的豎曲線上。
2．3橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
富裕整體橋橋梁跨徑為16m(共4孔)，橋梁全長70m。全橋不設(shè)伸縮縫，臺(tái)梁固結(jié)。
(1)上部結(jié)構(gòu)
上部結(jié)構(gòu)采用先簡支，后轉(zhuǎn)墩(臺(tái))固結(jié)的整體式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋臺(tái)被墻與空心板梁端現(xiàn)澆段一體澆注。
(2)橋臺(tái)
采用單排三柱式柔性橋臺(tái)，構(gòu)造圖見圖5所示，臺(tái)梁固結(jié)，樁、臺(tái)與梁共同受力。為解決臺(tái)蓋梁與臺(tái)柱剛度變化大帶來的臺(tái)柱身易出現(xiàn)裂縫的問題，設(shè)計(jì)時(shí)在臺(tái)柱身上部4m范圍內(nèi)設(shè)置了V字形承托；為有效解決橋臺(tái)離開土體時(shí)臺(tái)后填土侵入臺(tái)土間的空隙和水侵蝕橋臺(tái)的問題，設(shè)計(jì)時(shí)采取在臺(tái)后涂刷改性瀝青防水層；并設(shè)置泡沫塑料壓縮層，進(jìn)而減小臺(tái)后土壓力作用。
(3)橋墩
整體式橋梁的橋墩需承受較大的縱向位移，因此本橋在設(shè)計(jì)時(shí)采用D=1．2m的雙柱式柔性橋墩，構(gòu)造圖見圖6所示，以減小橋墩的剛度。為減小柱身的應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)在橫向柱身上部4m范圍內(nèi)設(shè)置了V字形承托，以增強(qiáng)柱身強(qiáng)度。
(4)基礎(chǔ)
為了承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳遞的位移，設(shè)計(jì)時(shí)采用了柔度比較好的鉆孔樁基礎(chǔ)。為減小因溫度、凍脹等荷載引起的約束力，在距樁頂以下2～3m，樁側(cè)1m寬范圍內(nèi)采用砂土進(jìn)行換填。
(5)臺(tái)(墩)梁結(jié)點(diǎn)處理
本橋在臺(tái)(墩)梁處采用固接方式的結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)預(yù)留鋼筋現(xiàn)澆混凝土的方式形成，將上部橋梁結(jié)構(gòu)和下部橋臺(tái)(墩)剛性相連在一起。
(6)搭板及臺(tái)后填土處理
橋臺(tái)兩側(cè)設(shè)置2×4m長搭板，兩段間設(shè)置枕梁作為支撐。為適應(yīng)水平位移，設(shè)兩道寬變形縫。板底涂改性瀝青以減弱板底面約束效應(yīng)。為減小臺(tái)后沉降并降低水害，采用水撼砂礫作為臺(tái)后填料。臺(tái)后填料應(yīng)分層夯實(shí)碾壓，壓實(shí)系數(shù)應(yīng)達(dá)到0．95以上。為解決臺(tái)后排水問題，在臺(tái)帽底設(shè)置兩道橫向排水盲溝。
3富裕整體式橋梁的計(jì)算要點(diǎn)簡析
本橋?yàn)檎w式橋梁，利用墩臺(tái)的柔性，來適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形。在內(nèi)力效應(yīng)分析時(shí)，應(yīng)考慮上部、下部與臺(tái)后土的相互作用。本次設(shè)計(jì)采用TDV軟件，建立二維彈簧～框架計(jì)算模型，見圖9所示，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力效應(yīng)計(jì)算。上部結(jié)構(gòu)、墩臺(tái)采用框架分析的內(nèi)力效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；樁的設(shè)計(jì)，將框架分析的內(nèi)力作用于樁頂，依然按《公路橋涵基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的“m”法進(jìn)行設(shè)計(jì)。該橋計(jì)算的關(guān)鍵是如何模擬土的水平抗力作用。本橋臺(tái)后填土為中砂，設(shè)計(jì)時(shí)為模擬土體與結(jié)構(gòu)的相互作用，將土的水平抗力系數(shù)作為受壓彈簧單元的剛度輸入模型�？紤]到土層的多樣性，該橋計(jì)算時(shí)采用“m”法計(jì)算土的水平抗力系數(shù)kh，其公式如下：
kh=m·z·b(1)
式中，m為各土層實(shí)測數(shù)據(jù)，z為土層的深度，b為結(jié)構(gòu)計(jì)算寬度。
4結(jié)語
整體式橋梁以其良好的耐久性和無需經(jīng)常維修而廣受推崇。該類型橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合結(jié)構(gòu)與土體相互作用、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次應(yīng)力、臺(tái)后填土抵抗作用等受力特點(diǎn)，應(yīng)采取有效的方法模擬土的水平抗力作用，有效考慮上部、下部與臺(tái)后土的相互作用；并在具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造上進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，采取有效的處理措施，盡量減少次應(yīng)力、臺(tái)后填土作用的不利影響。
參考文獻(xiàn)
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