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    臨猗黃河大橋總體設計
    2023-02-21 來源:《世界橋梁》 作者:韓鋒,楊華

      【摘要】臨猗黃河大橋主橋為(112+14×128)m+(14×128+120)m等高度連續鋼箱組合梁橋,最大聯長1912m。主梁為整幅長挑臂閉口鋼箱組合梁,全寬26m,中心梁高6.0m,標準梁段鋼梁頂板寬11.6m、底板寬11.2m,通過外挑橫梁和斜撐實現7.5m大懸臂;橋面板采用28cm厚C50混凝土板,設置橫向預應力;中支點兩側20m范圍內在鋼梁底板上澆筑混凝土,形成“雙結合”構造,與底板結合后共同承壓;橋墩采用矩形變截面薄壁空心墩,最大墩高99m;基礎采用鉆孔灌注樁基礎,最大樁長92m。

      采用有限元軟件建立該橋整體及局部模型進行結構靜力分析;基于CFD數值模擬與風洞試驗相結合的方法對主橋結構抗風性能進行研究;運用非線性時程分析法對大橋進行了地震響應分析,結果均滿足規范要求。主橋上部結構采用無臨時墩頂推法施工,鋼梁頂推到位后安裝橋面板。

      【關鍵詞】連續梁橋;鋼箱組合梁;外挑橫梁;斜撐;“雙結合”構造;受力性能;頂推施工;橋梁設計

      1 工程概況

      臨猗黃河大橋位于山西省運城市,是國家高速公路網G3511濟廣高速公路菏澤至寶雞聯絡線上跨越黃河小北干流禹門口至潼關河段的特大型橋梁。大橋穿越多個生態敏感區,橋位建設條件較復雜,以百米橋高跨越近6km的黃河河道,處于強風、強沖刷、不良地質、強震環境。

      1.1 橋位風環境

      為獲取橋址實際的風場參數,開展了橋位風觀測專題研究,橋址現場設立風觀測塔,采集到2012年6月~2016年6月共4年的風觀測數據。研究表明,橋位基本風速(10m高度、10min平均時距、100年重現期)為29.6m/s,橋面高度處的設計風速為44.8m/s。主梁施工期設計基準風速為39.4m/s。風剖面指數取0.17。

      1.2 河道水文

      臨猗黃河大橋橋址河段河道寬淺,水流散亂,屬于強烈堆積的游蕩性河道。橋位河道全寬約3.6km,河道縱向河勢平緩,縱向比降3.5;灘槽分界不明顯,水面寬約1200m,水深小于3m。主河槽最大沖刷水深32m,河灘最大沖刷水深26.8m。河道中橋墩承臺頂面要求在現狀河床高程4m以下。

      1.3工程地質

      橋址處地質主要表現為黃河沉降帶,地質構造穩定,未見斷層。地質鉆孔深度150m,除陜西岸側在100m深度以下存在少量泥巖、砂巖,大部分地層未見基巖。河道表層覆蓋可液化細砂層,液化深度為9.5~20m,其下為粉質黏土層。階地表層為濕陷性粉土,具有負摩阻效應。

      1.4地震

      橋址區屬于Ⅲ類場地,設計基本地震加速度0.15g,地震基本烈度Ⅶ度。由于場地覆蓋土層較厚,地震反應放大效應十分顯著,E2地震工況下場地特征周期最大達1.3s,遠大于按規范查取周期0.55s,導致反應譜峰值平臺段延長,譜值下降段不僅出現較晚而且下降緩慢。

      專題研究表明:河道場地E2安評譜1s以后的長周期譜值大致相當于基本地震動峰值加速度0.15g標準譜譜值的2倍,基本地震動峰值加速度0.2g標準譜譜值的1.5倍,與基本地震動峰值加速度0.4g標準譜譜值基本相當。

      1.5生態敏感區

      大橋穿越2個省級濕地保護區和2個國家級水產資源保護區。4個保護區相互疊加,總長為河道范圍。環保要求黃河大橋防撞護欄上方加裝不透光材質的雙側聲屏障,設置范圍為河道內橋梁。

      2 方案比選

      結合主橋跨徑、施工方法及斷面形式設計構思,綜合考慮施工可行性、運營管養、經濟性等因素,對橋梁方案進行比選。

      在約3.6km寬的黃河河道段該橋平均高度97.5m,最大高度110m。河道主橋跨徑主要考慮以下內容:

     ?、僖巹澩ê舰簦?)級通航凈寬最小90m;

     ?、诜篮橐笾骱硬劭卓绮粦∮?00m;

     ?、鄣刭|條件差、沖刷深度大,較大跨徑有利于減少基礎規模;

     ?、艿卣饛姸雀?、抗風難度大,較小跨徑有利于抗震、抗風。該橋初步擬定重點研究跨徑100~300m的橋梁方案。

      施工方法的選擇對該橋方案擬定影響較大,尤其上部結構施工方法關系到跨徑、橋型、材質等設計。該橋橋位高、兩岸相距遠、橋下不通航是限制施工方法選擇的主要因素。經初步分析,懸臂現澆、懸臂拼裝和頂推法的可行性相對較高。

      大橋高墩數量多,下部結構工程規模占比大,整幅式斷面對減少下部結構工程規模十分有效,橋梁斷面布置以整幅墩、整幅梁為優先原則。

      綜上研究,該橋可行的橋梁方案有等高度連續鋼箱組合梁橋(方案1)、整幅式連續剛構橋(方案2)、連續鋼桁梁橋(方案3)、工字鋼組合梁獨塔斜拉橋(方案4)。橋梁方案效果圖如圖1所示,橋梁方案綜合對比如表1所示。

      

      圖1 橋梁方案效果圖

      表1 橋梁方案綜合對比

      

      由表1可知:4種方案的橋型均為技術成熟的橋型,橋梁長度基本相當,各施工方法相對成熟。

      方案2邊跨不滿足100m跨徑要求。

      方案1~3對環境較友好,方案4對敏感區鳥類棲息、遷徙有一定影響,但景觀效果好。各方案工期均在可控范圍內,方案2~4采用懸臂施工,工期較短;方案1頂推施工里程長,工期相對較長。

      對比鋼結構橋型的方案1、3、4,方案1的經濟性明顯優于其它方案,且采用耐候鋼后期維護成本低,降低了橋梁運營對環境的影響;

      方案2較方案1突出的優點是造價低、養護量少,主要缺點是邊中跨比小,跨徑布設協調性差、高空懸澆施工安全風險較大,質量控制困難,下部基礎建安費造價高,樁基承載效率低。

      經綜合比較,方案1具有材質均勻、質量穩定、易于工廠化制造、裝配化施工、便于回收利用等優點,且連續鋼箱組合梁結構材料利用率高,造價適中,同時滿足河道防洪、通航及環保要求,該橋最終采用方案1。

      3 總體設計

      該橋采用雙向4車道高速公路標準設計,設計速度100km/h,橋面全寬26m。

      主橋為(112+14×128)m+(14×128+120)m等高度連續鋼箱組合梁橋(見圖2),共分2聯,最大聯長1912m;山西側引橋采用40×40m預應力混凝土連續T梁,橋梁全長5427m。

      主橋平面為直線,縱向為1.3%的單坡。橋面橫坡為雙向2%,設計洪水頻率1/300。

      

      圖2 臨猗黃河大橋總體布置

      3.1 主梁

      主梁為整幅長挑臂閉口鋼箱組合梁,橋面全寬26m,鋼梁底板寬11.2m(含定位點外伸10cm)、中心高6m,通過設置外挑橫梁和方鋼斜撐,輔助橋面板實現7.5m大懸臂。

      鋼梁采用Q420qDNH免涂裝耐候鋼,標準梁段頂板寬11.6m,中支點梁段頂板寬12.6m,頂板厚16~60mm,腹板厚24~48mm,底板寬11.2m、板厚20~60mm。

      頂板加勁肋形式按照受力大小分區段設置U肋、U肋間插板肋、密布板肋3種形式;底板肋形式按照受力大小分區段設置U肋、板肋2種形式;腹板布置4道T形縱向肋。

      除支點斷面采用實腹式隔板外,其余均采用桁式隔板。

      中支點兩側20m范圍內,在鋼梁底板上澆筑40~60cm厚C50微膨脹混凝土,通過底板縱向加勁肋開孔連接形成“雙結合”構造,充分發揮混凝土的抗壓優勢。

      底板混凝土作為結構構件直接參與受力,有效降低鋼箱梁底板壓應力,減小鋼板厚度;對底板進行局部約束,提高鋼箱梁局部抗屈曲能力。

      梁底板縱向加勁肋開孔穿入橫向鋼筋,形成剪力鍵,同時在底板和腹板相應位置焊剪力釘,保證混凝土與鋼梁底板間的連接性能。

      混凝土橋面板厚28cm,采用C50混凝土,設置橫向預應力以改善橫向受力。橫向兩側外懸臂部分為預制板,中間范圍內為現澆板?;炷翗蛎姘迮c鋼梁之間通過布置于鋼梁頂面的圓柱頭焊釘連接。

      主梁典型橫斷面如圖3所示。

      

      圖3 主梁典型橫斷面

      3.2 下部結構及支撐體系

      橋墩采用矩形變截面空心薄壁墩,墩高53~99m,墩頂設置2.5m的實心段。為便于檢查車通過,墩頂設置2m深槽口,槽口頂寬3.6m、底寬2m。

      結合景觀效果及合理受力需求,橋墩下段采用變截面形式,距墩頂9m處開始縱、橫向坡率均為50:1;中段6.5m高度范圍內截面尺寸采用直線漸變。墩身迎水面設置破冰體。

      承臺為矩形整體式結構,厚5m,下設24根φ2m鉆孔灌注樁,最大樁長92m。為防止黃河泥沙沖刷樁基,在樁頂20m長度范圍設永久性鋼護筒。

      主橋采用摩擦擺式減隔震支座,墩頂布置2個支座,每聯中間4個橋墩設置固定支座,其余均為縱向滑動支座,位移量同時滿足運營狀態和地震2種工況的需求。利用摩擦擺減隔震支座大幅降低下部結構和基礎的地震效應,減小了下部結構尤其是基礎工程量。

      4 主橋結構性能分析4.1靜力性能

      為全面了解橋梁結構的靜力性能,檢算結構在施工、運營過程中的整體安全性,采用MIDASCivil和FEA軟件建立全橋空間有限元模型。全橋結構采用梁單元建模,組合梁截面采用雙梁模型分別模擬混凝土板和鋼箱梁。樁底采用固結約束,墩梁支座位置采用自由度耦合并釋放轉動自由度模擬,橋臺位置僅約束豎向以及面外轉動方向的自由度。為簡化計算,整體計算建立兩聯模型。

      由計算結果可知:

     ?。?)考慮支點剪力滯效應,鋼梁上翼緣最大拉應力259.7MPa(支點位置)、最大壓應力233.8MPa(邊跨跨中);下翼緣最大拉應力212.3MPa(邊跨跨中)、最大壓應力274.7MPa(支點位置),應力指標均小于Q420qDNH抗拉強度設計值305MPa,鋼梁承載力滿足規范要求。

     ?。?)車道荷載引起最大撓度在128m邊跨跨中位置,最大撓度值為0.049m,小于規范規定限值128m/500=0.256m。

     ?。?)鋼梁翼緣采用疲勞荷載模型Ⅰ進行疲勞驗算,最大疲勞應力幅12MPa,小于規范考慮抗力分項系數折減應力幅38.2MPa;桁架式橫隔板撐桿采用疲勞荷載模型Ⅲ對撐桿位置進行疲勞驗算,最大疲勞應力幅15.63MPa,小于規范折減應力幅44.4MPa(疲勞細節類別選擇70MPa作為鋼箱梁疲勞等級)。

     ?。?)頂推施工過程中,考慮剪力滯效應折減系數和局部穩定折減,鋼梁上緣最大應力104MPa、下緣最大應力98.3MPa,均小于規范限值0.8fd=244MPa(fd為鋼材抗拉強度設計值);頂推施工過程中,鋼箱梁腹板穩定安全系數均大于1,腹板穩定性滿足規范要求。

     ?。?)基本組合下,橋面板順橋向最大組合應力10.71MPa,小于C50混凝土軸心抗壓強度設計值22.4MPa;橫橋向最大彎矩值52.41kN·m,小于橫向配筋截面承載力313.55kN·m,橋面板承載力滿足規范要求。

      橋面板最大裂縫寬度0.152mm,小于規范限值0.2mm?;炷翗蛎姘鍣M向按A類構件驗算,頻遇組合下橋面板橫向最大應力-0.617MPa[見圖4(a)],小于規范限值0.7ftk=1.855MPa(ftk為混凝土抗拉強度標準值),橋面板主拉應力-1.267MPa[見圖4(b)],小于規范限值0.5ftk=1.325MPa;準永久組合下橋面板橫向最大應力-1.068MPa,小于規范限值0。

      

      圖4 橋面板內力計算結果

      4.2抗風性能

      利用風觀測實測數據,采用CFD數值模擬與風洞試驗相結合的方法,對主橋結構抗風性能進行研究。主梁節段模型風洞試驗如圖5所示。

      

      圖5 主梁節段模型風洞試驗

      主梁斷面節段模型測振試驗結果如表2所示。

      表2 主梁斷面節段模型測振試驗結果

      

      由表2可知:主梁在風攻角分別為0°、±3°時,成橋狀態組合梁斷面顫振臨界風速大于顫振檢驗風速69.6m/s,施工狀態顫振臨界風速大于顫振檢驗風速61.2m/s,顫振穩定性均滿足規范要求。成橋狀態主梁振動位移響應如圖6所示。

      

      圖6 成橋狀態主梁振動位移響應

      由圖6可知:當風攻角分別為0°、±3°時,在試驗風速范圍內,主梁斷面成橋狀態未觀測到明顯的馳振現象,主梁斷面馳振穩定性滿足規范要求。在試驗風速范圍內,主梁斷面施工狀態未觀測到明顯的馳振現象。

      4.3 抗震性能

      按照《公路橋梁抗震設計規范》(JTG/T2231-01—2020)關于規則橋梁的定義,該橋不在限定范圍內,屬于非規則橋梁,設置了減隔震支座。

      考慮地基土液化和沖刷影響,地震動輸入基準面為河床面下20m處。采用非線性時程分析法對大橋進行了地震響應分析。

      結果表明:在設計地震作用下,結構振動基頻合理,振動模態符合橋梁基本振動形態;順橋向地震+豎向地震與橫橋向地震+豎向地震兩種工況下,墩柱、樁基處于完全彈性狀態,結構受力滿足抗震性能目標要求。

      5 頂推施工方案

      鋼梁采用步履式頂推工藝,無臨時墩輔助。

      在山西、陜西側各設置1座鋼梁拼裝場,單元件運輸至現場后,使用龍門吊機吊至頂推平臺進行拼裝定位、梁段接長施工。

      在山西、陜西側各設置1處頂推平臺,山西側頂推平臺位于引橋段37~40號墩位置,平臺長109m;陜西側頂推平臺位于主橋69號墩與合銅高速路基之間,平臺長137m。

      鋼梁拼裝至一定長度,加裝導梁和吊索塔架對向頂推,第1聯頂推長度為1904m,第2聯頂推長度為1912m。

      在55號墩處設置導梁拆除支架,鋼梁頂推到位后利用塔吊進行導梁拆除。鋼梁頂推到位后,落梁至設計標高,澆筑中支點底板混凝土,架設預制橋面板?,F澆橋面板先澆筑正彎矩區域,待混凝土強度達到設計要求后,再澆筑負彎矩區域。主梁頂推施工布置如圖7所示。

      

      圖7 主梁頂推施工布置

      6 結語

      針對強風、強沖刷、不良地質、強震等多種不利建設條件,臨猗黃河大橋采用大跨長挑臂閉口鋼箱組合梁,利用受壓斜撐支撐橋面板以減少鋼箱梁腹板數量,提高了鋼材利用率;中支點兩側底板澆筑混凝土形成“雙結合”構造,作為結構構件參與受力,有效降低了底板壓應力。主橋結構靜力性能、抗震性能、抗風性能均滿足要求。

      本文轉自《世界橋梁》——臨猗黃河大橋總體設計,作者韓鋒,楊華



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