跨新港四号路立交桥设计.pdf

收稿日期 20030601 作者简介 李凤芹 1962 女 高级工程师 1984年毕业于西南交通 大学桥梁工程专业 工学学士 跨新港四号路立交桥设计 李凤芹 铁道第三勘察设计院桥梁处 天津 300142 摘 要 介绍津滨轻轨工程以斜交 19 跨越新港四号路立交桥的桥式方案比选 连续刚构桥的设计比选 设计 对施工的考虑等内容 结论是 快速轨道交通线路以斜交小夹角跨越城市道路时 将桥墩设在分隔带上 桥梁斜交 正做 可减小桥梁跨度 简化桥梁设计 采用连续刚构方案 3 个刚壁墩共同承受纵向水平力 可减小中主墩内力 在 合龙段中施加顶力 可抵消混凝土收缩 徐变对刚壁墩产生的次内力 墩底约束按 2 倍基础刚度取值 符合桥梁实 际受力情况 关键词 刚构 连续梁 刚壁墩 纵向水平刚度 现浇 T 构 中图分类号 U239 3 U442 5 文献标识码 B 文章编号 10042954 2003 08007404 1 概述 新港四号路与津塘公路相接 位于天津市开发区 的西侧 是市区通往开发区和天津港的南北向交通要 道 津滨轻轨在线路里程为 KD43 190 6 由道路西 侧跨越新港四号路至道路东侧走行 与新港四号路斜 交夹角仅为 19 桥梁施工期间不得中断桥下道路交 通 本桥梁部拟在既有道路上搭设排架施工 以确保 桥梁施工期间桥下道路畅通 跨新港四号路桥址处原规划道路断面为 人行道 慢车道 两侧带 快车道 中间带 快车道 两侧 带 慢车道 人行道 5 m 7 m 2 m 15 m 2 m 15 m 2 m 7 m 5 m 道路总宽 60 m 2 桥式方案比选 2 1 桥梁型式 本桥与既有道路斜交夹角小 若采用一跨跨越方 案 桥梁跨度将达到 172 m 大跨度桥梁将使桥梁造价 成倍增加 这显然是不可取的 为了减小桥梁跨度 需 将桥墩设置在中间带和两侧带上 桥式方案可选择 4 跨刚构 连续梁或连续刚构 两主跨跨越机动车道 边 跨跨越非机动车道 刚构 连续梁是指位于中间带上的主墩与梁固结 承受纵向水平力 而位于两侧带上的次主墩和边墩与 梁分离 以适应连续梁由于混凝土收缩 徐变和温度变 化等在墩顶产生的位移 连续刚构是指位于中间带上 的主墩和两侧带上次主墩与梁固结 3 个刚壁墩共同 承受纵向水平力 本桥位于线路反向曲线上 桥上不能设置钢轨伸 缩调节器 由于连续梁联长大 若采用刚构 连续梁方 案 固定墩将承受较大的无缝线路纵向水平力 给固定 墩的设计带来困难 使其墩身截面尺寸加大 桩基础钻 孔桩数量增加 连续刚构方案次主墩与梁固结 不仅 可使主墩承受的纵向水平力减小 而且墩顶不需设置 顶帽 使桥墩线形流畅 桥梁造型美观 但边主墩必须 有适宜的刚度 以适应混凝土收缩徐变 温度力及活载 产生的墩顶位移 降低次内力 综上确定采用 36 56 8 56 8 36 m 预应力混凝土连续刚构 2 2 墩型 根据新港四号路规划道路断面形式 桥墩顺道路 方向设置 分隔带宽度满足建筑限界要求 不需加宽 但斜交夹角19 的斜交连续梁由于其受力和构造复杂 在桥梁设计中很少采用 因此 本桥采用斜交正做 并 且根据桥墩设计需要 将中间带和两侧带适当加宽 为了满足道路限界要求 A347 A348 A349 号 3 个主墩 均采用异型薄壁墩 其截面形式为由墩顶矩形过渡到 墩身带切角的平行四边形 桥墩至分隔带缘石距离不 小于 0 25 m 3 刚构桥设计 3 1 箱梁结构型式 箱梁横截面为单箱单室 跨中梁高 1 8 m 支点处 梁高 3 2 m 顶板宽 8 9 m 悬臂板边缘厚 20 cm 根部 45 cm 跨中顶板厚度25 cm 顶板悬臂长度 2 0 m 底板 厚度跨中截面为 25 cm 与横隔板连接处为 48 5 cm 横截面见图1 74 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2003 8 设计 图 1 箱梁横截面 单位 cm 3 2 异型刚壁墩的设计 中主墩位于温度变形零点 承受制动力 地震力和 长钢轨纵向水平力 而次主墩还承受混凝土收缩 徐变 及温度变化产生的次内力 中主墩应有一定的刚度以 承担全桥大部分纵向水平力 次主墩应有一定的柔度 既能适应梁部结构变形 又能分担一部分纵向水平力 根据中主墩和次主墩不同的受力 行为和特征 确定其壁厚 墩高和 基础布置形式 3 2 1 纵向水平抗推刚度 下部结构纵向水平抗推刚度 计算公式 Ki H i 1 式中 H 为墩顶作用的单位 纵向水平力 i为单位水平力 的作用下 由于墩身挠曲所引起 的墩顶纵向位移以及由于基础转 动和平动所引起的墩顶纵向位移 之和 对于墩梁固结结构 梁对墩顶有嵌固作用 同时 也传递纵向水平力 根据桥墩的水平抗推刚度对纵向 水平力进行分配 各桥墩纵向水平力 Qi的计算公式为 Qi Ki Ki Q 2 式中 Q 为全桥承受的总的纵向水平力 纵向水平力与刚壁墩刚度成正比 1 墩身位移 由墩身挠曲所引起的墩顶纵向位移 1 HL 3 3EhI 3 墩顶位移 1按墩顶自由悬臂梁计算时 L 为其墩 高 刚构桥考虑梁部结构对刚壁墩的嵌固作用 桥墩位 移曲线不为二次抛物线 在 0 7L 附近桥墩存在反弯 点 按墩底固结模型刚壁墩墩顶位移折算的反弯点至 墩底距离 L1为 次主墩 L1 0 66L 主墩 L1 0 73L 桥墩截面抗弯惯性矩 I 1 12bh3 将其代入公式 3 得到 1 4HL13 Ehbh3 4 由公式 4 可以得到影响墩顶位移的因素依次为 刚壁墩壁厚 h 墩高L 和壁宽b 其中 刚壁墩壁厚和墩 高对墩顶位移有较大影响 因抗推刚度为位移的倒数 同样壁厚和墩高也是影响其抗推刚度的重要因素 通过选择刚壁墩不同壁厚及墩高得到各刚壁墩合 理的抗推刚度 本桥经综合比选确定的刚壁墩结构尺寸为 主墩 宽2 7 m 壁厚 1 5 m 高 9 0 m 边主墩宽 3 1 m 壁厚 1 2 m 高 7 5 m 由于规划 2 0 m 的分隔带宽度不能 满足道路限界要求 因此 将中间带和两侧带分别由 2 0 m 加宽到 3 2 m 和 3 6 m 将桥下道路断面调整 为 5 m 7 m 3 6 m 15m 3 2 m 15 m 3 6 m 7 m 5 m 道路总宽 64 4 m 桥梁平面布置见图 2 图 2 跨新港四号路桥址平面 单位 m 2 基础位移 基础变形所引起的墩顶纵向位移 首先要计算出 墩顶单位纵向水平力作用下承台底面中心的转角 和 水平位移 a 其计算办法在有关桩基础书籍中均有介 绍 本文不再赘述 由基础变形所引起的墩顶纵向位移 2 L1 L2 a 5 式中 L1为桥墩变形反弯点至墩底高度 L2为承 台高度 3 刚壁墩抗推刚度和纵向水平力分配 根据刚壁墩墩底不同的约束情况 建立全桥纵向 平面计算模型 在模型中对各刚壁墩墩顶施加 100 kN 的水平力 计算得到刚壁墩墩顶位移和墩身截面剪力 Q 将公式 1 中的 H 用Q 代替 计算出刚壁墩抗推刚 度 不同约束下的刚壁墩抗推刚度见表 1 由表1 可知 边刚壁墩较中刚壁墩壁厚小 墩高 大 抗推刚度小 施加在各刚壁墩上的水平力 H 按刚 75 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2003 8 设计 度分配后 两边刚壁墩约承担 50 的纵向水平力 中 墩约承担 50 的纵向水平力 基础约束对刚壁墩的抗 推刚度有一定的影响 但对各墩之间的纵向水平力分 配影响却很小 表 1 刚壁墩抗推刚度 项 目边主墩主 墩 抗弯刚度 EI MN m2 1 58 1042 70 104 墩顶水平力 H kN100100 固 结 墩顶位移 cm0 033 140 030 64 刚壁墩墩身剪力 Q kN75 8148 4 抗推刚度 K kN cm 1 2 287 34 843 3 弹性约束墩 实际基础 刚度的 2倍 墩顶位移 cm0 044 170 042 05 刚壁墩墩身剪力 Q kN78 4143 2 抗推刚度 K kN cm 1 1 775 03 405 5 3 2 2 混凝土收缩 徐变对刚壁墩内力影响 刚壁墩的基础约束影响其纵向水平抗推刚度 虽 然不同的约束对各墩之间的纵向水平力分配影响小 但对温度和混凝土收缩 徐变影响却比较大 不同刚 壁墩约束情况下由纵向水平力 降温和混凝土收缩 徐 变引起的刚壁墩内力分别见表 2 表3 和表4 表2 各刚壁墩墩顶作用 100 kN 刚壁墩内力 序号 部位墩底约束情况Q M墩顶M墩底 1 2 3 次 主 墩 按实际基础刚度 2 倍78 4 kN 349 kN m357 kN m 墩底固结75 8 kN 328 5 kN m353 6 kN m 2 与 1 差值 1 3 3 5 9 1 0 4 5 6 主 墩 按主墩基础刚度 2 倍143 1 kN 477 7 kN m595 6 kN m 墩底固结148 4 kN 475 5 kN m637 8 kN m 5 与 4 差值 4 3 7 0 5 7 1 表 3 降温 15 刚壁墩内力 序号墩底约束情况QM墩顶M墩底 1 按实际基础刚度 2 倍1 208 kN 5 078 kN m5 793 kN m 2 墩底固结1 468 kN 5 979 kN m7 231 kN m 3 2 与 1 差值 1 21 5 17 7 24 8 4 按主墩基础刚度 2 倍1 243 kN 5 200 kN m5 987 kN m 5 4 与 1 差值 1 2 9 2 4 3 3 表4 混凝土收缩 徐变刚壁墩内力 序号墩底约束情况Q M墩顶M墩底 1 按实际基础刚度 2 倍2 551 kN 10 270 kN m12 690 kN m 2 墩底固结2 956 kN 11 366 kN m15 233 kN m 3 2 与 1 差值 1 15 9 10 7 20 0 4 按主墩基础刚度 2 倍2 609 kN 10 430 kN m130 52 kN m 5 4 与 1 差值 1 2 3 1 6 2 9 由表 3 表 4 可以看出 基础刚度对刚壁墩内力有 一定的影响 其中固结约束对其内力影响较大 结构 设计应该考虑基础变形对结构内力的影响 由于桩承 台侧向土抗力和其他一些因素的影响 实测桥墩基础 的刚度一般高于理论计算值 为安全起见 本桥基础刚 度取计算值的 2 倍 本桥 3 个主墩基础均采用直径 100 cm 的钻孔灌 注桩 承台厚3 0 m 中主墩桩长 56 m 边主墩桩长 58 m 桩数均为 12 根 根据结构受力要求分别按梅花式 和行列式布置 由于基础布置方式不同 主墩基础纵 向刚度是次主墩的 1 2 倍 次主墩基础刚度小 可以使 其获得较小的组合刚度 根据活载不同的作用位置 刚壁墩墩顶和墩底会 产生内侧或外侧受拉的弯矩 截面强度检算比较容易 通过 温度次内力可以通过选择合龙温度控制温升 温 降产生的次内力 使其内侧或外侧受拉的弯矩相同 与活载和温度次内力不同 混凝土收缩 徐变次内力使 边刚壁墩产生不可逆转的永久次内力 对刚壁墩受力十 分不利 从表 3和表 4 中可以看出 混凝土收缩 徐变 次内力约为降温温度力的 2 1倍 必须在施工中采取措 施将此力予以平衡 才能通过刚壁墩截面强度检算 4 桥梁施工方案 箱梁采用移动支架现浇法施工 首先按 T 构结构 体系现浇 3 个T 构同时浇筑 每个 T 构分成 5 个现浇 梁段 其中 号梁段 1个 长 12 8m 号 号梁段各 2 个 分别长 9 0 m 和 12 0 m T 构悬臂浇筑总长度为 27 4 m 然后浇筑边跨不平衡段 形成两点支承较稳定 的结构体系后合龙主跨 合龙段长 2 0 m 主跨合龙 之前 在合龙段悬臂端上施加 2 500 kN 的顶力 将合龙 段边跨悬臂端顶开 20 mm 以抵消混凝土收缩 徐变次 内力 施顶时为确保顶力有效地施加在结构上 除中 主墩两侧的支架需保留外 其他支架及临时支承均应 拆除 实际操作时采用顶力和位移双控 根据以往桥梁 施工经验 合龙段施顶时 计算位移量比实际发生的位 移量要大 为了使施工具有可操作性 要求千斤顶顶 力范围可上 下浮动 10 15 顶开位移量可上 下 浮动 10 本桥施工千斤顶实际施加的顶力为 2 900 kN 2 个 合龙段顶开距离分别为 21 mm 和 18 mm 基本满足设 计要求 合龙段边跨悬臂端顶开一定距离后安装临时支撑 劲性骨架 千斤顶卸载 其施加给结构的顶力反作用于 劲性骨架 同时 劲性骨架还要承受合龙段混凝土养生 时由于温度变化所产生的温度力 5 合龙段劲性骨架设计 每个合龙段设置 2 对 4 个临时支撑劲性骨架 由 于箱梁截面尺寸较小 为了不影响合龙段混凝土的灌 筑 劲性骨架支撑预埋于箱梁顶 底板的牛腿上 而千 斤顶则直接作用在箱梁顶板和腹板上 千斤顶施顶位 76 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2003 8 设计 置与临时支撑劲性骨架位置均对称于截面重心轴 每 个骨架承受的轴向压力为总顶力的 1 4 N上 N下 2 300 2 900 4 575 725 kN 轴力受压为正 受拉为负 混凝土养生时的温度变化范围取升温 15 降温 10 由其产生的劲性骨架内力可通过整体计算模 型得到 升温 15 时 N上 267 kN N下 723 kN 降温 10 时 N上 178 kN N下 482 kN 劲性骨架的总轴力为 N上 397 992 kN N下 93 1 448 kN 劲性骨架所受最小轴力为 93 kN 混凝土养生期 间 骨架不会受拉 因此 合龙段施工时不需张拉临时 预应力钢束 骨架所受最大轴力为 1 448 kN 根据此 最大轴力进行临时支撑劲性骨架设计 6 结语 1 快速轨道交通线路以斜交小夹角跨越城市道 路时 适当加大分隔带宽度 将桥墩设在分隔带上 桥 梁斜交正做 可减小桥梁跨度 简化桥梁设计 2 采用连续刚构方案 3 个刚壁墩共同承受纵向 水平力 可减小中主墩内力 使桥下道路顺畅 桥墩线 形流畅 桥梁造型美观 3 在合龙段中施加顶力 可完全抵消混凝土收 缩 徐变对刚壁墩产生的次内力的不利影响 4 桥梁结构设计时 墩底约束按 2 倍基础刚度取 值 符合桥梁实际受力情况 上接第 73页 量减少对疏港公路正常交通的干扰 在更有利的背景 条件下 相信这样的结构可以设计得更合理 更简洁 表 1 框架墩施工顺序 序号示意图说明 1 1 基础施工 2 承台预埋墩柱钢筋图中 N1 钢 筋 2 1 将墩柱外包钢板与 N1 钢筋焊 接 柱顶钢板与外包钢板焊接 2 灌筑墩柱混凝土至距墩柱顶 1 0m 位置处 第一阶段施工混 凝土 3 1 吊装钢横梁就位 2 在横梁底板和柱顶钢板的预 留钢筋孔洞中插入墩梁连结钢 筋 墩柱钢筋图中的N6钢筋 续表 1 序号示意图说明 4 灌筑柱顶钢板与外包钢板内的 混凝土 第二阶段施工混凝土 5上部结构及桥面施工 6 1 全部恒载施工完成后 柱顶钢 板与横梁底钢板周边焊 2 灌筑钢横梁两端横隔板间混 凝土 第三阶段施工混凝土 3 将钢横梁顶板预留孔洞用钢 板焊接封死 烟台养马岛大桥开工建设 烟台养马岛大桥位于连接养马岛岛屿与陆地的人工修建的长堤上 北接养马岛 南接烟台市牟平区宁海镇 线路全长1 870 m 其中桥梁长 507 06 m 两侧路堤 546 47 m 小里程侧 和 816 47 m 大里程侧 本工程设计公路等级为城市主干道 主桥全宽 28 2 m 主孔观景台处全宽 31 1 m 引桥全宽 26 0 m 其中行车道宽 23 m 引道 路基宽 26 5 m 设计荷载为汽车 超 20级 挂车 120 主孔桥下通航要求净高 8 0 m 净宽 40 0 m 桥上净高 5 0 m 桥梁结构 形式为625m 预应力混凝土简支空心板梁 50 100 50 m 3孔柔性系杆钢管混凝土下承式简支拱 625m预应力混凝土简支 空心板梁 本工程于 2003 年4 月开工建设 预计 2004年 6 月建成通车 铁三院桥梁处 供稿 77 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2003 8 设计 RAILWAY STANDARD DESIGN No 8 2003 Abstracts and Keywords Alternatives for Jinbin Light Rail Viaduct Overcrossing Shugang Highway Zhang Jinli Abstract A comparative analysis was made of alternatives for bridges overcrossing shugang highway including through bridge cable stayed bridge continuous steel girder bridge and small span girder plus frame pier The best option was recommended Keywords light railbridge scheme bridge type comparison andse lection Monitoring and Analysis of Bridge Girder Creepage Gao Yingqin Yang Fuheng Sun Ning Wang Lin Abstract A long term fieldmonitoring wasperformed over the creepage of PC box girder of Jinbin Light Rail Based on the monitoring result a summary was made of the law of development of concrete creepage A curve fitting was conducted against the creep coefficient by meansof the oretical computation and resulted in a coefficient smaller than that spec ified in the specification which was used for prediction of creepage of other bridges Keywords PC box girder creepage of bridge girder concrete creep monitor Overall Design of Viaduct for Jinbin Light Rail Sun Yan fu Li Xiaojiang Abstract An overall introduction is given to viaduct design for Jinbin LightRail project Generally 3 25 m span PC continuous box girder was adopted for main span 30 40 m continuous girder as well as specia l shaped box girder frame pier bridge 50 m simple support com posite girder and medium span continuous rigidframe bridge was adopt ed Also an introduction and summary is given to bridge type selection rapid construction control of girder creep and subgrade settlement and design of frame piers composite girders and rigid frame bridges Keywords urban light rail rapid rail transport viaduct construction condition technical standard design principle Selection of Bridge Types of Commonly used Spans for Jinbin Light Rail Li Xiaojiang Abstract Viaduct covers nearly 40km of the total length of Jinbin Light Rail therefore selection of appropriate bridge type is of vital im portance Principles for selection of bridge type were determined accord ing to project condition and actual situation of construction site Seven bridge typeswere presented and their respective technical characteristics were introduced All round technical and economic comparisonwas per formed based on geological conditions andrecommended bridge typewas put forward Keywords JinbinLight Rail bridge structural type technicalande conomic comparison An Exploration of the Development of Urban Rail Transport Chen Hou jun Abstract With the rapid development of national economy of China urbantransport appears to be laggard far behind and a great upsurge of rail transport is developing in large and medium cities A comprehensive description is given to advantages of urban rail transport i e energy saving facilitating sustainable development making full use of urban space improved transport safety convenience rapid and punctuality In the meantime several problems needing considerationwere raised Keywords urban rail transport development problem An Analysis of the Stability of 1 50m Stee l Concrete Composite Girder During Construction Liu Kai Abstract An analysis was made of the stability of open section steel girder during construction of 1 50m stee l concrete composite girder by means of combined computation of SAP84 and manual computation The process ofmodelestablishment and calculationwas introduced Computa tion result indicatedthe weak point of the structure andwasusedto ver ify the effect of structure stabilizing measures Keywords steel concrete composite girder construction process stability analysis A Research over Substructure Design for Jinbin Light Rail Viaduct with Jointless Track Li Li Abstract The longitudinal force of the ballastless track brings new problems inthe design of substructure of Jinbin Light Rail bridge Analy sis wasmade of computationresults of various combinationsof loads and control working conditions and problems for consideration were put for ward in the design of substructure Keywords Jinbin Light Rail substructure jointless track longitud i nal force structural computation research Aseismic Analysis of PC Continuous Rigid Frame Bridge for Jinbin Light Rail Zhang Hairong Abstract An introduction is given to aseismic design of PC continuous rigid frame bridge for Jinbin Light Rail Response spectrum and time history method was used to study seismic response andrecommendations were put forward to explore more appropriate guidelines for aseismic de sign of urban light rail bridges Keywords urban light rail PC prestressed concrete continuous rigid frame bridge aseismic analysis Design of Grade Separation Bridge Overcrossing Xingang Road No 4 Li Fengqin Abstract An introduction is given to bridge types and continuous rigid frame bridge alternatives for the grade separation bridge