（土木工程专业论文）城市轨道交通预应力混凝土连续刚构桥设计关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 城市轨道交通预应力混凝土连续刚构桥设计关键技术的研究以天津轻轨 4 2 m + 6 2 m + 6 2 m + 4 2 m 四跨预应力混凝土连续刚构桥为工程背景。针对天津轻轨交通 项目跨越津塘公路工点低净空、跨越条件困难，以及为克服桥上不能设置无缝 线路温度伸缩调节器所带来的长钢轨作用力问题，研究采用了4 2 m + 6 2 m + 6 2 m + 4 2 m 四跨预应力混凝土连续刚构桥。为解决桥梁结构要求截面小，高度低等带来的 设计困难，需对该结构的关键技术问题如考虑基础共同作用的整体计算模型、 梁墩间的合理刚度匹配、体系转换产生的内力重分布、成桥后的长期变形预测、 锚下锯齿块应力分析及配筋构造、基础沉降影响及抗震措施等进行研究分析， 以获得技术可行、经济合理的技术参数，为设计提供充分的依据，根据分析结 果调整优化桥梁结构设计。 研究中以理论分析为主，采用专用程序及通用程序对预应力混凝土连续刚 构桥进行了总体、局部计算分析和抗震分析。 为了验证四跨预应力混凝土连续刚构桥分析、研究所取得的成果的可靠性， 该桥建成后，组织进行了对该桥的静、动载试验，试验表明该桥的刚度、承载 力、动力特性、制动性能均满足设计要求。 该项目的研究成果对同类型项目提供了一定的参考价值。 关键词：连续刚构，整体计算模型，薄壁墩，体系转换，抗震分析，试验 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a p e rn a m e dt h er e s e a r c ho nt h ek e yd e s i g nt e c h n i q u eo fp r e s t r e s s e d c o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i d - f r a m eb r i d g eo fu r b a nr a i lt r a f f i ci sw i t hr e f e r e n c et o t i a 玛i nl i g h tt r a c kb r i d g eo fa4 - s p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i d f r a m e b r i d g ew i t hs p a na r r a n g e m e n t ( 4 2 + 6 2 + 6 2 + 4 2 ) m a i m i n ga tt h el i g h tt r a c kt r a f f i c p r o j e c ti nt i a n j i nc r o s s i n go v e rt h et i a n j i n - t a n g g uh i g h w a y ，b e c a u s eo ft h el o w e r s p a c e ，t h ed i f f i c u l tc r o s s i n gc o n d i t i o n , a n do v e r c o m i n gt h el o n gs t e e lr a i lf o r c ec a u s e d b yn oa t t a m p e r a t o ro nt h es e a m l e s sr a i l w a y , t h ep r o j e e ta d o p t s a4 - s p a np r e s t r e s s e d c o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i d - f r a m eb r i d g ew i t hs p a na r r a n g e m e n t ( 4 2 + 6 2 + 6 2 “2 ) m t o r e s o l v et h ed e s i g nd i f f i c u l t i e sc a u s e db ys m a l lc r o s s - s e c t i o n ，l o wh e i g h to ft h eb r i d g e s t r u c t u r e ，t h ek e yt e c h n i q u ep r o b l e mt ot h eb r i d g es t r u c t u r es h o u l db ec a r r i e do n r e s e a r c ha n da n a l y s i s ，s u c ha sw h o l ec a l c u l a t i o nm o d e l ，c o n s i d e r i n gf o u n d a t i o n c o m b i n e da c t i o n ，t h er e a s o n a b l er i g i d i t ym a t c ht ot h ej o i n to ft h e g i r d e ra n d p i e r ，i n n e rf o r c er e d i s t r i b u t i o nc a u s e db yt h es y s t e mc o n v e r s i o n ，t h ef o r e c a s tt o l o n g t e r md e f o r m a t i o na f t e rb u i l d i n g ，s t r e s sa n a l y s i sa n dt e c t o n i cs t e e lb a ro ft h e a n c h o r e ds e r r a t i o nb l o c k ，t h ei n f l u e n c eo f f o u n d a t i o ns e t t l e m e n ta n da n t i e a r t h q u a k e m e a s u r g s t oa c q u i r ef e a s i b l ea n dr e a s o n a b l et e c h n i q u ep a r a m e t e r sa n dp r o v i d et h e f u l ld e s i g nb a s i s ，a c c o r d i n gt oa n a l y t i c a lr e s u l t sa d j u s ta n d o p t i m i z et h eb r i d g e s l r u c t u r ed e s i g n i n r e s e a r c h ，t h e o r e t i ca n a l y s i si sp r i n c i p a l ，w h o l ec a l c u l a t i o n ，t h ep a r t i a l c a l c u l a t i o na n da n t i - e a r t h q u a k ea n a l y s i so ft h e p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u s r i g i d - f r a m eb r i d g ea r en u m e r i c a la n a l y z e db ya d o p t i n gt h ep r o f e s s i o n a lp r o c e d u r ea n d g e n e r a lp r o c e d u r e t ov e r i f yt h ec r e d i b i l i t yo fa n a l y s i sa n dr e s e a r c hr e s u l t sa b o u ta4 s p a n p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e t h es t a t i ca n dd y n a m i cl o a dt e s t s a r ec a r r i e do u ta f t e rb u i l d i n g f i n a l l y , t e s tr e s u l t ss h o wt h a tb r i d g er i g i d i t y , c a r r y i n g c a p a c i t y , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n db r a k i n gp e r f o r m a n c e sc a ns a t i s f yt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s a b s t r a c t t h er e s e a r c hf i n d i n g so ft h ep r o j e c tp r o v i d ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ot h e s t r u c t u r eo f s i m i l a rk i n d k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e ，w h o l ec a l c u l a t i o nm o d e l ，t h i nw a l l p i e r , t h es y s t e mc o n v e r s i o n ，t h ea n t i e a r t h q u a k ea n a l y s i s ，t e s t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：当髹穆 勿_ 7 年岁月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名t 磊覆乞琴 汤7 年岁月日 第1 章引言 1 1 课题研究背景 第1 章引言 天津市区至滨海新区快速轨道交通工程一期全长4 5 4 0 9 公里，是天津市城 市交通重要的组成部分。全线均为一次双线，含高架桥和地面线。高架桥梁长 度为4 0 公里，是当时全国一次建成最长的轻轨桥梁工程，大部分采用现浇混凝 土连续梁，部分节点桥为特殊设计。 天津轻轨在跨津塘公路处，设4 2 m + 6 2 m + 6 2 m + 4 2 m 四跨预应力混凝土连续刚 构桥。该处桥位线路情况复杂，在桥上不能设置无缝线路的温度调节器，为克 服桥上无缝线路的长钢轨作用力，采用四跨预应力混凝土连续刚构桥是一个很 好的解决方案，这种方案构思独特，桥型美观，技术先进，设计新颖。 由于该桥位于津塘公路和津滨高速公路进入滨海新区市区交会处的咽喉区 域，对桥梁的景观设计和工程安全提出了较高要求，针对该桥低净空且要求结 构轻盈美观、确保工程安全的特殊要求，需对预应力混凝土连续刚构桥的关键 技术进行研究，以达到在确保工程安全的基础上实现桥梁结构尽可能轻盈美观 的目的。 1 2 预应力混凝土连续刚构桥概述 桥梁结构在力学上可归结为梁式、拱式和悬吊式三种基本体系以及它们之 间的各种组合体系，因此现代的桥梁结构，根据其受力特点、建桥材料、适用 跨度、施工条件等方面，将桥梁划分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、悬索桥和斜 拉桥等组合体系桥梁。刚架桥是承重结构中的梁或板和立柱或墙整体结合在一 起的结构体系，连续刚构桥属刚架桥，其主梁连续、墩梁固结。采用预应力混 凝土的连续刚构桥与连续梁桥的主要区别在于柔性桥墩的作用，使结构在竖向 荷载作用下，基本上属于一种墩台无推力的结构，而上部结构具有连续梁施工 的一般特点。这种结构既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了t 形刚构不设支座、无需体系转换的优点，方便施工，而且很大的顺桥向抗弯刚 第l 章引言 度和横向抗扭刚度能很好地满足较大跨径桥梁的受力要求。因此它是一种极有 生命力的桥梁结构形式，在国内外得到了广泛应用。当然，桥墩较矮时，这种 桥型受到限制。我国的预应力混凝土连续刚构桥，几乎都采用悬臂浇筑法施工。 1 3 预应力混凝土连续刚构桥在工程中应用情况 由于预应力混凝土连续刚构桥具有较多优点，自1 9 5 3 年联邦德国创造性的 运用悬臂施工法修建沃伦姆斯t 形刚构桥后，预应力混凝土连续刚构桥在国内 外得到迅速发展，我国公路系统从8 0 年中期开始设计、建造连续刚构桥，至今 方兴未艾，在公路桥梁中得到广泛应用，近年来在铁路桥梁中也得到较快发展， 但在城市轨道交通工程中尚处于起步阶段，仅有少数工点应用。现将部分预应 力混凝土连续刚构桥的发展状况介绍如下。 i 日本的大潼坎盐谷桥，1 9 8 3 年建成，公路桥。桥长2 8 5 o o m ，最大主跨 1 2 5 o o m ， 桥全宽5 2 0 m ，单箱单室直腹板。支点梁高7 5 0 m ，高跨比1 1 6 6 7 ； 跨中梁高2 4 0 m ，高跨比1 5 2 0 8 。为三跨连续有铰刚构桥。 2 英国的o r w e l l 桥，1 9 8 4 年建成，公路桥。桥长1 2 8 6 o m ，最大主跨1 9 0 o o m ， 桥全宽2 3 9 8 m ，双箱单室直腹板。支点梁高1 2 o m ，高跨比1 1 5 8 3 ；跨中梁 高4 0 m ，高跨比1 4 7 5 0 。为连续一刚构桥，墩高约1 l o m 。 3 澳大利亚的g a t e w a y 桥，1 9 8 5 年建成，公路桥。桥长1 6 2 7 o m ，最大主 跨2 6 0 o o m ，桥全宽2 2 2 0 m ，单箱单室直腹板。支点梁高1 5 o m ，高跨比1 1 7 3 3 ： 跨中梁高5 2 0 m ，高跨比1 5 0 0 。为连续一刚构桥。 4 中国的三门峡黄河公路大桥，9 0 6 9 2 9 建成，为跨度( 1 0 5 + 4 1 6 0 + 1 0 5 ) m 钢筋混凝土双壁墩预应力混凝土连续- m u 构桥。单箱单室直腹板，桥 全宽为1 7 5 0 m ，箱梁底宽为9 o m ，宽跨比为1 1 7 7 。支点梁高8 o m ，高跨比1 2 0 ；跨中梁高3 0 m ，高跨比1 5 3 3 。顶板厚2 5 c m 。底板厚支点为l o o c m 、 跨中为2 5 c m 。腹板厚支点为6 5 c m 、跨中为4 0 c m 。墩高3 0 m 。 5 近年来，我国公路上修建了几座著名的预应力混凝土连续刚构桥，如广 东洛溪大桥，主孔1 8 0 m ：湖北黄石长江大桥，主孔3 x 2 4 5 m ；广东虎门大桥副 航道桥，主孔2 7 0 m ，为目前世界同类桥中最大跨径。 6 中国的攀枝花钢厂金沙江铁路大桥，9 5 年下半年建成，单线铁路桥。跨 度( 1 0 0 + 1 6 8 + 1 0 0 ) m 钢筋混凝土双壁墩预应力混凝土连续刚构桥。单箱单室直腹 板。桥全宽为1 2 6 0 m ，箱梁底宽为7 0 ，宽跨比为1 2 4 。支点梁高1 0 5 0 m ， 2 第1 章引言 高跨比1 1 6 ；跨中梁高4 5 m ，高跨比1 3 7 3 3 。墩壁横桥宽9 6 0 m ，顺桥厚 2 4 0 m ，中空5 2 0 i o m 。两壁顺桥中心距9 6 0 m 。墩高5 0 m 。 7 中国的南昆铁路喜旧溪河大桥，9 3 1 0 - 9 5 1 2 建成，单线铁路桥。跨度为 ( 5 6 6 + 8 8 + 5 6 6 ) m 钢筋混凝土双壁墩预应力混凝土连续刚构桥。单箱单室直腹 板。桥全宽为6 o m ，箱梁底宽为4 0 m ，宽跨比为1 2 2 。支点梁高5 8 ，高跨 比1 1 5 2 ；跨中梁高3 3 m ，高跨比1 2 6 7 。墩壁横桥宽4 6 m ，顺桥厚1 5 0 m ， 两壁顺桥中心距8 o m ，中间设两个高1 6 0 m 的箱形横联，内设由2 5 m m 的纵向预 应力粗钢筋。墩高6 5 m 。 8 上海城市轨道交通明珠一期工程的中山西路桥，1 9 9 9 年建成，双线城市 轨道交通桥，跨度为( 8 0 + 1 1 2 + 8 0 ) m 预应力混凝土双壁墩连续刚构桥。单箱单室， 桥顶板宽为8 8 9 i m ，箱梁底宽为5 2 m ，宽跨比为1 2 1 5 3 ，支点梁高5 6 m ， 高跨比1 2 0 ；跨中梁高2 3 m ，高跨比1 4 8 7 。墩壁横桥宽5 2 m ，顺桥厚1 1 m ， 两壁顺桥中心距4 9 n l ，墩高1 5 5 m 。 从国内外一些典型刚构桥来看，随着跨度的不断加大，刚构桥避免了巨型 支座的设计、制造、安装、养护、维修等困难，成为大跨度预应力混凝土桥梁 的一个主要桥型。如日本在1 9 7 2 年修建了主跨2 3 0 m 的浦户大桥，继而又建成 了主跨2 3 6 m 的彦岛大桥和主跨2 4 0 m 的滨名大桥。挪威建造了十余座刚构桥， 主跨从1 5 0 2 0 0 m 左右。 这期间，刚构体系在设计中不断改进，逐步与连续梁体系的优点相结合。 多孔长联桥发展成为刚构一连续梁体系；t 型刚构的粗大桥墩发展成为薄型柔性 桥墩；在桥跨布置、梁、墩截面形式方面，不断改进桥型布置，如v 型刚构、 双薄壁墩刚构等等，使得刚构桥应用的桥高不断降低。对于大跨度预应力混凝 土连续刚构，目前应用的越来越多。主要是竖向、横向刚度大，施工安全可靠， 省去了大吨位支座的安装、养护的困难等等。 城市轨道交通的活载对较大跨度桥梁而言，由于车辆荷载轴重不太大，使 得连续刚构的设计较为灵活。关键问题是，城市轨道交通桥梁一般采用无碴轨 道，对桥梁变形要求严格，桥墩的柔度要合理。 1 4 预应力混凝土连续刚构桥的设计理论及研究进展 预应力混凝土连续剐构桥是由杆件组成的，杆件的几何特征是长度比横断 第1 章引言 面尺寸大得多，所以预应力混凝土连续刚构桥的杆件在荷载、温度变化等因素 作用下的内力，可按结构力学方法计算，其基本计算方法是力法和位移法。随 着电子计算机的应用与普及，目前桥梁结构分析主要采用矩阵分析法和有限单 元法。结构矩阵分析法是以传统的结构力学理论作为计算基础，以矩阵作为数 学表达公式，用电子计算机作为计算手段，使理论、公式、手段三位方法一体 化。结构矩阵分析的基本原理是，把复杂的桥梁杆系结构离散成有限个杆单元， 再将这些杆单元集合成整体，通过一分一合过程，将复杂的结构计算问题转化 为简单杆单元的分析和集合问题。该种分析法是杆单元的精确解而不是近似解。 但在桥梁结构计算中，受力情况、边界条件均较复杂，往往不能得到理论精确 解，只能应用数值法求结构的近似解。数值法中广泛采用的是有限元素法，这 种方法首先将连续的弹性体简化为有限个杆系单元，即将结构离散化为杆单元 模型，然后计算杆单元的数值解，由于应用十分方便，现在得到广泛应用。目 前有限元法从结构计算已发展到结构优化设计，并向设计自动化方向发展；而 且逐步从平面计算分析向空间三维实体仿真分析发展。 1 5 本文研究解决的关键技术及研究思路 1 5 1 关键技术 针对本课题背景工程的实际情况，经分析提出以下关键技术进行重点研究。 1 考虑基础共同作用的整体计算模型研究 2 梁墩间的合理刚度匹配 3 体系转换产生的内力重分布 4 成桥后的长期变形预测 5 锚下锯齿块应力分析及配筋构造 6 基础沉降影响分析 7 抗震计算分析 1 5 2 研究思路 1 按照本项目技术要求，以理论分析为主，采用专用程序及通用程序对四 跨预应力混凝土连续刚构桥进行总体、局部计算分析。如四跨预应力混凝土连 续刚构桥整体计算模型研究( 考虑上、下部结构以及桩基础的整体作用) 、刚构 4 第1 章引言 桥薄壁墩与梁的合理刚度分配、预应力混凝土连续刚构桥收缩、徐变分析及上 拱度的控制分析、群锚体系锚下应力分析以及抗震分析等，以求获得技术可行、 经济合理的技术参数，为工点的施工图设计提供充分的依据，根据分析结果调 整优化桥梁结构设计。 2 实施成桥后的静动载试验。根据静动载试验的实测结果来验证上述计算 分析结果的正确性和桥梁设计的安全性。 1 6 论文背景工程介绍 1 6 1 结构简述 经优化比选后采用的桥式方案为( 4 2 + 6 2 + 6 2 + 4 2 ) m 薄壁墩预应力混凝土连 续刚构，研究范围含两个联间边墩。 城市交通现状及规划对本桥的影响和要求：桥下净高5 m ，施工期间必须保 证桥下道路通行。本桥与既有道路斜交2 4 5 度，夹角小，桥下既有道路结合远 期规划作了适当调整。 本桥布置见附图7 1 跨津塘公路桥平面布置图和附图7 2 跨津塘公路桥全 桥布置图。 1 6 2 上部建筑 1 粱部结构尺寸( 详见附图7 3 7 4 ) 跨中梁高i 8 m ，支点处梁高3 6 m ，顶板宽8 9 m 。悬臂板边缘厚2 0 c m ，根 部4 5 c m ，跨中项板厚度2 5 c m ，顶板悬臂长度1 9 m ，底板厚度跨中截面为2 5 c m ， 与0 号块连接处为6 0 c m 。 腹板厚度在距墩顶中心6 o m 范围内取5 0 c m ( o 号块除外) ，其余部分采用 4 0 c m 、3 5 c m 及3 0 c m ，腹板厚度呈台阶式变化。只在墩项设横隔板，在边跨端部 将顶、底板及腹板加厚形成加劲框架，起到柔性横隔板作用。 2 预应力体系( 详见附图7 5 7 6 ) 箱梁横截面为单箱单室，梁部采用纵向预应力体系，其中项、底板钢束用 1 5 7 巾5 钢铰线，两端张拉，每束张拉力2 7 3 4 k n 或2 9 3 0k n ；腹板束、个别底 板束，项板合拢束用7 7m 5 钢铰线，两端张拉，每束张拉力1 2 7 6 k n 。 3 支座：支座采用j h p z ( 简) 系列盆式橡胶支座。 第1 章引言 4 桥面构造：按本线统一标准设计施工。 1 6 3 下部建筑 1 桥墩 边主墩采用矩形薄壁墩，墩宽3 4 m ，壁厚1 2 m ，中主墩采用矩形薄壁墩， 墩宽3 4 m ，壁厚1 4 m 。联间墩采用2 3 5 1 4 m 的矩形截面板式墩，顶帽高1 3 m ， 平面尺寸4 3 5 x 1 8 m 。 2 基础 主墩基础采用直径ml o o c m 的钻孔灌注桩，承台厚3 m ，桩长5 8 m 6 0 m ，桩 数1 2 根；边墩基础采用直径中8 0 c m 的钻孔灌注桩，桩长4 8 m ，桩数9 根。 6 第2 章桥式方案研究 第2 章桥式方案研究 结合桥址具体特点，桥梁跨径需采用( 4 2 + 6 2 + 6 2 + 4 2 ) m ，本次研究考虑了 预应力混凝土连续梁、预应力混凝土连续刚构、下承式系杆拱结构等多种桥式， 并从降低梁高、降低造价、降低噪音、美化城市景观、施工难易、养护维修工 作量大小等方面进行比较分析。 2 1 预应力混凝土连续梁方案 优点：结构连续，刚度大；施工比较简便，可采用悬臂灌注；造价较低； 立面造型简洁明了。 缺点：作为一种普通桥式，梁部建筑高度较高，需要轨面高程较高。由于 桥位处于曲线范围内，没有条件设置无缝线路温度伸缩调节器，必须设置粗壮 强劲的制动墩来克服桥上的长钢轨作用力，这样的制动墩对全桥的景观有较大 影响，并且占用桥下路面宽度较大；连续梁桥设计和施工技术比较成熟，但其 结构高度大，需设大吨位支座，施工中需进行体系转换，必须设置粗壮的制动 墩，不满足对桥梁景观的特殊需求。 2 2 下承式预应力混凝土连续梁刚性拱组合结构方案 这种结构型式的上建高度低，可降低桥高。行车条件可得到改观。结构连 续，竖向、横向刚度大，能很好地适应轨道交通系统的刚度要求；由于这种结 构为下承式拱桥，桥宽加大、相应墩宽也需加大；需设大吨位支座和制动墩； 造价较高，施工难度较大，且不满足对桥梁景观的特殊需求。 2 3 预应力混凝土连续刚构方案 抗震性能好，可免除设置专用大吨位抗震支座以及防震落梁措施，可以省 略制动墩；顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度大，受力性能好；顺桥向抗推刚 度小，对温变，混凝土收缩徐变及地震影响均有利；由三个主墩共同承受桥上 7 第2 章桥式方案研究 的长钢轨作用力，可以降低梁部支点的负弯距以及跨中的正弯距，这样结构尺 寸可以比较小，能增加净空高度，使桥梁整体比较轻盈美观；施工过程中，无 须设临时支墩，有利于悬浇施工。中间无伸缩缝，行车舒适。本桥上部结构可 采用预应力混凝土变高度梁，单箱单室截面，由于主跨为中等跨度，仅在纵向 施加预应力，横向竖向不加预应力，方便施工，而且总体景观效果好。 2 4 选择结论 综上所述，跨津塘公路桥方案，采用( 4 2 + 6 2 + 6 2 + 4 2 ) n l 四跨预应力混凝土 连续刚构为最佳桥式。结构轻盈，施工方便，经济合理，景观效果好，与周围 环境相协调。 8 第3 章主要技术标准 3 1 选用的设计规范 第3 章主要技术标准 1 设计规范 ( 1 ) 地下铁道设计规范 ( 2 ) 铁路桥涵设计基本规范 ( 3 ) 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范 ( 4 ) 铁路桥涵地基和基础设计规范 ( 5 ) 铁路部分预应力混凝土设计及验收规定 ( 6 ) 铁路工程抗震设计规范 2 参考设计规范及资料 ( 1 ) 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 ( 2 ) 公路桥涵地基与基础设计规范 ( 3 ) 新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定 3 2 有关线路主要技术标准 1 线路 ( 1 ) 线路类别：轻轨 ( 2 ) 正线数目：双线 ( 3 ) 线路坡度：1 0 ( 4 ) 曲线半径：2 0 0 0 m ( 5 ) 牵引种类：电力 ( 6 ) 线网电压：d c l 5 0 0 v ( 7 ) 设计最高行车速度：l o o k m h ( 8 ) 轨距：1 4 3 5 m ( 9 ) 轴重：1 4 t 9 第3 章主要技术标准 2 轨道 ( 1 ) 正线轨道采用6 0 k g m 钢轨。 ( 2 ) 桥面系采用无碴轨道，承轨台采用钢筋混凝土支承块，采用无缝线路。 ( 3 ) 轨道建筑高度：轨顶至梁顶为5 2 c m 。 3 限界 线间距为3 6 m ，车辆限界高度为3 8 m ，侧向为1 5 5 3 m ，每线线路中心外 侧建筑限界净宽不小于2 3 m ，桥面宽为8 9 m 。桥下净高为5 0 n l 。 3 3 桥梁设计荷载及相关规定 1 设计恒载 恒载包括结构自重及桥面二期荷载，其中桥面二期荷载包括线路设施、电 缆槽及护栏等，其重量按7 0 l ( n m 计。 2 设计活载 按六节车辆编组设计，重车轴重为1 4 0 k n ，空车轴重为7 0 k n 。 单线重车车辆荷载如图3 1 所示，单线空车车辆荷载如图3 2 所示。( 长度 单位：米) 。 重重至量委i至重垂重垂重重垂蚕至重至 委至委茎重 i iil j juii ! l i ui iuil i 1 0 3 47 2 i1 03i ：47 2 i1 0 31 47 2 11 0 31 - 7 2 1 1 034 7 2 1t o3 图3 1 单线重车车辆荷载图式 1 0 茎茎蚕蚕茎茎茎善茎菱茎蚕茎蚕茎茎茎薹蚕菱垂茎垂 liiu liu i lii iiu !iuii 图3 2 单线空车车辆荷载图式 双线桥主体结构竖向活载取总活载的1 0 0 ，设计加载时，对多符号影响线， 可分别考虑重车与轻车的影响，即在同号影响线各区段加重载，中间的异号影 响线区段加轻载。对于结构设计分别按一辆车、两辆车六辆车分别加载， 双线加载可考虑车辆的不同加载位置，取其最不利情况进行设计。 按本项目最大跨度6 2 m 计算，三辆车对中跨跨中弯矩最不利，比六辆车减 小1 3 ，由于活载的影响仅占恒载的三分之一，恒载加活载总体考虑两者的变 化量小于5 ，所以一般计算仍按六辆车加载。 3 动力系数 列车竖向活载包括竖向动力作用时，该列车竖向活载等于列车竖向静活载 乘以动力系数( 1 + i i ) ，其值为： 钢筋混凝土桥跨结构：1 + l - i = 1 + 1 6 x ( 6 ( 3 0 + l ) ) l ：为桥梁跨度，以米计。连续梁边孔和中孔分别计算动力系数。 4 离心力 桥梁在曲线上时，列车离心力作用在轨顶以上2 0 m ，离心力率c 按下式计 算，但不大于1 5 。 c = v 2 ( 1 2 7 r ) ( 3 1 ) 5 人行道活载 采用4 o k p a 。 6 无缝线路作用力： 根据孔跨布置情况计算确定无缝线路作用力，下表为轨道专业提供的长钢 轨作用力的计算结果，伸缩力t 1 、挠曲力t 2 、断轨力t 3 系指单股钢轨的作用 ” 第3 章主要技术标准 力。按新建铁路桥上无缝线路纵向力计算办法进行荷载组合。 长钢轨作用力( k n 轨) 伸缩力t 8 9 3 挠曲力t 。1 9 4 断轨力t 。 7 制动力或牵引力： 按竖向静活载的1 0 计算，但当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时， 则按竖向静活载的7 计算。 8 横向摇摆力： 作用于轨顶面，其值为4 2 5 k n m ，该力与风力组合不与离心力组合。 9 风力： 风压强度 w = k 1 k2 k3 w0 = 1 3 1 0 1 0 0 4 9 = o 6 k p a 1 0 温度力： 体系温差按温升2 04 c 、温降1 5 。c 计，日照温差按桥面板均匀升温1 0 。c 计。 桥跨结构设计合拢温度：6 1 1 。 1 1 地震力： 按照全国地震烈度区划，桥位处设计烈度为7 度。 本项目针对地震力作了分析研究，根据研究结果综合，取最不利工况进行 设计。 1 2 荷载组合 ( 1 ) 根据上述力的性质，参照铁路桥涵设计基本规范进行组合。荷载 表如下： 1 2 第3 章主要技术标准 荷载分类荷载名称 结构自重 恒 预加力 主 混凝土收缩和徐变的影响 土压力 载 静水压力及浮力 基础变位的影响 列车活载 活列车竖向动力作用 离心力 力 活载土压力 载人行道及栏杆的荷载 长钢轨纵向力( 挠曲力、伸缩力) 附 横向摇摆力 加 制动力或牵引力 风力 力 温度力 特 列车脱轨荷载 殊 长钢轨纵向断轨力 荷 施工荷载 地震力 载 汽车撞击力 ( 2 ) 断轨力只考虑单股钢轨断裂的情况。 ( 3 ) 曲线桥上，应计算温度力和伸缩力( 或挠曲力) 作用于墩台和支座上 的横向分力，且这种分力按主力检算。 3 4 地震、地质、气象资料 1 地震基本烈度：本地区地震烈度为7 度，属高烈度地震区。 2 地层冻结深度：0 7 m 3 地质情况： 桥位处于海河冲积平原与滨海相衔接处，地形平坦，地势低平。地层简单， 第四系地层广泛发育，地层分布从上到下依次为人工堆积层、新近沉积层、上 第3 章主要技术标准 部陆相层、第一海相层、中上部陆相层、上部及中上部地层广泛沉积有十几米 厚的软土，桥址处地基基本承载力为1 0 0 2 8 0 k p a 。地下水位埋深较浅，分布 了较多的粉砂、细砂、粉土，具有地震液化现象。 4 气象资料： 桥位处气候属于暖温带亚湿润大陆性季风气候区，并受海洋性气候影响。 四季分明，冬季寒冷干燥，春季大风频繁，夏季炎热多雨，雨量集中，秋季冷 暖变化显著。主要气象资料如下表所示。 主要气象要素表 历年极端最高气温( )3 9 9 历年极端最低气温( ) 一18 3 历年平均气温( ) 12 0 历年最冷月平均气温( ) 一3 9 历年最热月平均气温( ) 2 6 2 历年平均降水量( )6 0 0 9 历年最大积雪深度( c m ) 2 2 累年平均风速( m s )4 5 累年最大风速( m s ) 2 6 5 及风向e 极大风速( m s )4 8 7 及风向 n 景年最多风向s w 大风最多日数( r ：1 )7 8 土壤最大冻结深度( c m )7 0 第4 章预应力混凝土连续刚构桥设计的关键技术 第4 章预应力混凝土连续刚构桥设计的关键技术 4 1 考虑基础共同作用的整体计算模型研究 4 1 1 整体计算模型( 考虑上、下部结构以及桩基础的整体作用) ( 4 2 + 6 2 + 6 2 + 4 2 ) m 薄壁墩预应力混凝土连续刚构弹性支撑计算模型如图 4 1 所示： 图4 1 整体计算模型图 4 1 2 计算模型考虑上、下部结构以及桩基础的整体作用机理 四跨预应力混凝土连续刚构桥的计算模型边界约束条件的极端模式为两 种：三个主墩的基础或者为固接、或者为铰接。一般情况下，采用固接约束简 洁明了，但对于主墩的设计偏于安全，墩梁固接处的计算受力状态与实际受力 状态有差异；采用铰接约束，可以考察墩梁在这种模型下的受力状态，作为设 计参考。 介于上述两种计算模式之间，考虑桩基及土抗力对墩梁的弹性约束作用， 即本节重点讨论的考虑上、下部结构以及桩基础的整体作用的计算模型。这种 模型更加符合实际情况，但是模型的建立也更加复杂，基础弹性约束条件的确 定采用桩基础等效刚度换算，计算如下： 第4 章预应力混凝土连续刚构桥设计的关键技术 承台 等效 桩柱 图4 2 桩基础计算模型 如图4 2 ，根据结构力学原理建立方程组 r2 a p2 + 2 b p3 一h = 0 12 b pl n = 0( 4 1 ) l2 a p3 + 2 d p4 + 2 b p 。c 2 一m = 0 其中：a 一承台水平位移( m ) 卜承台竖直位移( m ) b 一承台转角位移( r a d ) h 承台底水平力( 1 【n ) n 承台底竖直力( k n ) 卜承台底弯矩( k n m ) pt e a l p2 一1 2 e i l 3 p3 一一6 e i l 2 p 。- - 4 e i l a 一d 2 4 i - - 丌d 。6 4 通过等效刚度换算，把一个群桩基础换算成两根面内等效桩柱，柱底固 接，承台的几何尺寸和桩基相比较而言，刚度设为无穷大。所以，在图4 1 的 4 2 + 6 2 + 6 2 + 4 2 m 薄壁墩预应力混凝土连续刚构弹性支撑计算模型中，承台表示为 一段直线，其刚度为无穷大，自重包含在承台底外力中。 1 6 第4 章预应力混凝土连续刚构桥设计的关键技术 另外，参考我院曾经对桩基础纵向刚度所作过的测试资料，实测的刚度值 一般大于理论计算值，但不大于两倍。经过计算分析研究，从安全并适用的角 度出发，在实际采用的计算模型中，等效桩柱的理论计算刚度取群桩基础换算 刚度的两倍。 这样，己知一个群桩基础的承台底外力n 、h 、m ，根据常规桩基程序计算 出这个群桩基础承台的三个位移a 、b 、1 3 ，并把a 、b 、b 折减二分之一，将n 、 h 、m 和折减后的a 、b 、b 及桩基混凝土的e 值代入上述三个方程可以解出三 个未知数：h ( 或d ) 、l 、c ，从而建立考虑桩土抗力的弹性约束的计算模型。 在具体计算过程中，进行了两排桩、三排桩、四排桩等多种群桩基础布置 方案的计算比选，结果采用的设计方案为：两个边主墩的1 2 根由l o o c m 的桩基 础采用3 x 4 ( 纵x 横) 的阵列布置，纵向刚度略小于横向刚度，在满足桩基础 承载能力的前提下，适当增加了桩基础的纵向柔度，相应提高薄壁墩的纵向柔 度，有利于提高薄壁墩的承载能力；中主墩处于全桥的对称中心，中主墩承受 的纵向弯矩远小于边主墩，其1 2 根巾l o o c m 的桩基础采用正多边形的梅花桩布 置，适当增加中主墩基础的整体纵向刚度，有利于在全桥承受纵向水平力的时 候，由于中主墩的整体纵向刚度大于边主墩，从而中主墩能够更多分担全桥的 纵向水平力和弯矩，减少边主墩纵向水平力和弯矩，适当均衡三个主墩的内力 分配，提高全桥的整体承载能力。 群桩基础等效刚度换算计算结果见下表： 表4 1 边主墩桩基础等效刚度换算 方向 项目符号单位数值外力符号单位数值 水平位移 0 0 0 1 4 9水平荷载hk n1 5 8 7 3 0 纵向竖直位移 b0 0 0 1 7 9 竖直荷载 nk n2 9 0 7 5 2 0 转角位移 1 3r a d0 0 0 0 1 7 弯矩 mk n m1 1 2 2 0 6 0 水平位移 0 0 0 0 2 6 水平荷载 hk n2 8 3 5 0 横向竖直位移 b0 0 0 1 7 9 竖直荷载 nk n2 9 0 7 5 2 0 转角位移b r a d0 0 0 0 0 3 弯矩 mk n m5 4 1 9 8 0 第4 章预应力混凝土连续刚构桥设计的关键技术 表4 2 边主墩桩基础等效刚度换算 l 方向 e ( k n m 2 ) l ( m )a ( 一) 2 c ( )i ( 甜) l 纵向 3 5 0 0 0 0 0 02 8 4 0o 6 6 1 4 3 5 5o 0 3 4 7 i 横向 3 5 0 0 0 0 0 02 8 0 9o 6 5 4 7 5 1 4o 0 3 4 0 表4 3 中主墩桩基础等效刚度换算 方向项目符号单位数值 外力符号 单位数值 水平位移 o ，0 0 0 9 6 水平荷载 hk n1 0 6 6 0 5 纵向竖直位移 b0 0 0 1 5 6 竖直荷载n k n2 5 3 9 2 7 6 转角位移且t a d 00 0 0 0 7 弯矩mk n m6 5 0 6 0 5 水平位移0 0 0 0 3 2 水平荷载 h“2 8 3 5 0 横向竖直位移 b 0 0 0 1 5 6竖直荷载n k n 2 5 3 9 2 7 6 转角位移bt a d0 0 0 0 0 5弯矩mk n m5 1 3 6 3 8 表4 4 中主墩桩基础等效刚度换算 i 方向 e ( k n m 2 )l ( m )a ( m 2 )2 c ( m )i ( 一) i 纵向 3 5 0 0 0 0 0 02 8 8 60 6 7 15 1 9 00 0 3 5 9 i 横向 3 5 0 0 0 0 0 03 1 7 60 7 3 95 ，4 2 50 0 4 3 5 4 2 墩梁问的合理刚度匹配分析 连续刚构的桥墩应该选择适宜的柔度，使桥墩既能够适应因活载、温度以 及混凝土收缩、徐变等因素引起的主梁结构的变形，又能够有足够的承载能力， 并使主梁、双壁墩及基础的设计最为节省。 4 2 1 四跨预应力混凝土连续刚构桥薄壁墩方案 为了选择梁与墩之间合理的刚度比，对薄壁墩壁厚进行了系列计算分析， 具体分析比选的内容如下： 1 双壁墩，壁厚b = 0 8 m ，双壁墩间净距2 c m ； 2 单壁墩、双壁墩组合，边主墩壁为双壁墩，壁厚b = 0 8 m ，双壁墩间净距 2 c m ，中主墩壁为单壁墩，壁厚b = 1 6 。 3 单壁墩，壁厚b = 1 6 、1 4 、1 2 、1 0 、0 8 m ：、 在同样壁厚的情况下，墩的横向宽度变化对墩的纵向刚度影响较小，计算 分析中对两种墩宽3 0 m 、3 4 m 进行了比较，采用墩宽3 4 m 与箱梁梁底同宽， 1 8 第4 章预应力混凝土连续刚构桥设计的关键技术 构造简洁，横向刚度大，整体效果比墩宽3 o m 好。 在同样墩宽3 4 m 的情况下，对刚构桥主墩的壁厚进行了计算分析，分析结 果见下表。 表4 5 墩壁计算比较表 工况边主墩( 小里程)外侧墩壁反力备注 竖直力n y ( 1 n )水平力n x ( k n )弯矩m ( k n m )墩型 顶力2 5 0 t 5 3 4 5 11 2 5 0 3 - 5 6 3 8 9双壁墩 恒载 6 9 9 1 75 0 8 9 2 3 2 2 2截面3 4 x 0 8 m 活载m m a x 3 7 3 9 6 92 2 4 1 6 6 5 3 0 3壁间距2 c m 活载k i n - 1 8 6 7 3 2- 3 7 1 ，9 1 3 0 0 4 2墩高9 m 恒载+ 一组沉降 6 9 8 8 44 9 3 2 2 4 0 2 恒载+ 沉降+ 降温 5 1 0 6 51 0 0 0 44 6 3 9 2 地震力 6 5 9 5 3 65 2 6 4 5 22 8 4 1 6 8 9 最不利工况组合 9 蛳1 91 1 4 7 9 65 9 1 5 0 3 地震力工况组合 9 5 1 7 7 8 11 1 3 1 5 3 25 4 0 8 4 0 4 工况边主墩( 小里程) 反力备注 竖直力n y ( k n )水平力n x ( 弯矩m ( k n m )墩型 顶力2 5 0 t 1 0 3 5 2 7- 2 5 0 0- 1 1 4 4 5 1 单壁墩 恒载 1 4 4 3 4 32 6 2 8 61 3 6 7 0 3 截面3 4 x 1 6 m 活载m a r x- 2 0 7 5 24 7 4 5 21 8 0 6 5 2 墩高9 m 活载m m i n 1 9 5 9 4 4- 1 4