小半径桥梁桥型比选案例分析

近年来,在国家不断加大对西部投资开发的大环境下, 西部交通的各干线项目加速发展,但要发挥干线项目预想的社 会效益和经济效益,就需要在干线项目修建时,考虑建设一定 量的与重要城镇和旅游景点相连的连接支线。主要是在满j G P足一 定量的最大通行能力基础上,通道要“通&\ + 2 W ^ n *rd[ n t ! d l ;quo;、“顺”,并且由 于干线运输能力的升级陆续完成,造成对连接支线的大量紧急 需求,每条连接支线工期、造k k C e价的控制也就成为其重要的考核 指标。在处理连接支线上的桥梁方案时,也要考虑在承载能力 “够用”的基础上,尽可能的多考虑一些“通”、“顺&rdqo 3 P # Ouo;以及 工期与造价的平衡问题。连接支线中由于不追求线形、指标会 出现很多小半径桥梁,下面将本人参加的一个高速公路干线项 目中连接线上一座桥梁方案比选的方法以及设1 F 2计要点研究简单概括。

桥梁概况及方案比选 西部某高速公路干线连接线上某桥^ 1 m 2 B Y $ + &是该连接线的主 线桥,本桥所在路段推荐方案(以下h a ~ O P简称K线方案)为, 线位位于缓和曲线长LS=40m,半径R=35m,缓和曲线长LS=25m的平曲线内,纵坡为4.7%,横坡为5%。桥 梁 主 要 尺 寸 及 技 术 标 准P 3 6 h 为 :全 宽 - 1 0 . 4 m , 净 宽-9.4m,现浇梁高125cm,沥青混凝土铺装厚10cm,设计 车道数按照两车道计算,7度设防地震烈度。(K线方案如图 1:路线方案示意图2 S i 8 g u { ~)

1.1 桥位O ~ ] D [ r f [ 4总体方案定性比选

在项目初期考虑到K线q s w u ; d \ y方案的半径较小,增加了一个扩大半径后x d \ & U C的方案进行比较。首先用定性比较的方法,对增 大半径的方案与K线方案进行比较。桥梁所在路段有旧路,旧桥桥位在本桥两方案上游, 旧路为Y o w )28m半径路段中以1~8m小S : % t桥跨越本沟,两方案沟底 处纵坡均为12.5%。将本路段I n z V z圆曲线半径加大后形成一个圆曲线半径为55m 的路线方案(以下简称55m半径方案),本路线方案为半径 增大的极限,如继续扩大圆曲线半径,工程量会明显多于K 线方案且实施难度会大幅增加。K线方案与55m半径方案在 平. i T ^ 5 1 X D衡工期与造价之后,定性比较如下:

⑴因为本路段是受~ b ^ L T ` H纵坡控制的持续上坡路段,按照K线 方案桥梁段前后已接近极限纵坡。如果按照55m半径方案实 施势必会} { P造成桥梁纵坡增大- P m $ z \ l。经过测算,路线每减少10m纵 坡要抬高0.656%,而如果半径加大到55m,路线会至少减 少20m,纵坡会达到6%左右,于结构物设计难度、施工难度与工期都会有c J M 5 6 h 5 R较大影响。

⑵55m半径方案的线位在K线方案过沟位置的下游方向 约26m处,K线方案布跨选用15m跨径,需要4跨,平均墩 高约为10.3m,而55m半径方案选用13m跨径,需要5跨,桥墩处对应填土高比K线U 4 7 z ( ] j方案增加3.25m4 i - Z c | P s左右,平均墩高约为 13.55m。虽然55m半径方案较K线方案路线长度L * F d ~ [会减少20多 m,但是由于提高了路线指标,甩开旧路路基路段的造价会 大幅提升。在这部分v & _ D 8 Cq H Y { ~ H加的造价比较下,因减少- - I _ U路线长度 而减少的工程量几乎可以忽略不计。桥梁工程p ^ N / n q j中,55m半径 方案桥墩墩身造价比K线方案提高约31.5%,而上部构造并 不会因为增大路线半径的同时,减小桥面面积而使造价减 少(桥长反而增加了),本方案也不能使用统一模版预制 上部梁板以减少工期。

综上所述,经过定性比较,增大半径的方案对于本 座桥梁来说不仅不会节约6 x g u预算,而且会延长工期;另一方面,K线方案中的35m半径圆曲线,以“通”、“顺”的连 接支线在做好其他行车安全保障措施的基础上,线型指标 是完全可以接受的。

小半径桥梁桥型比选案例分析

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图2:边梁翼缘板及现u h v H - m a X浇层平面变宽示意图

小半径桥梁桥型比选案例分析

图3:桥型推荐方案立面图

1.2 桥型方案F [ e Q S N t比选&n6 8 O r Kbsp;

针对K线方案,还应进行不同桥型方案比选。 s s D U

1.2.1 上部结构比选 

鉴于桥U * e k w \ : K梁所在路线圆曲线半径较小,相对来说使用 13~15m跨径桥梁最为合适。这主要考虑了三个方面的因素。

⑴在路线线型为小半径的情况下,如采用弯桥直做的 预制结构,平曲线型由护栏在外侧调整实现; ) M @ \ V X \ 1(方案示意图 见图2),考虑到悬弧差会根据跨径增大而增大,若悬弧 差较大则会造成材料浪费以及线型不顺畅,故跨径不宜过 大,且本桥主跨跨径不受河道与流量的制约。 

⑵若采用现浇箱梁作为上部构造,跨径越大在跨中位 置的形心距相邻两桥墩台理论支撑点连线的距离(形心位 置大致等同桥梁中心线位置,如图4中跨中截面桥梁中心线 到桥墩W N V I ^中心线的距离)也会越大,对抗扭刚度会有更高要 求,造成造价增大,跨径过C Z I小又会造成下部材料浪费。

⑶采用现浇连续箱梁时6 # s * &,随着小半径桥梁跨径的增 大,则箱梁势必需要使用预应力实现抗弯能力。对于本 路线方案,抗弯预应力索由于按照曲线布置,桥梁单跨 跨径越大,其产生的径向分力越大,则对抗扭性能产生不 利影响越大,根据小半径桥梁特点——尽量降低梁高,并 且尽^ x ] \ 8 Z f . @量减小抗弯扭刚度比(即减小( H E Y 3 p抗弯刚度,增大抗扭刚 度);同时如现浇连续箱梁跨径过^ J # @ J^ G , Y b . m b 3还要考虑采用独柱d o 2 R M ] ( k偏 心墩,用以平衡恒、活载偏心作用而导致的扭矩增大、翘 曲形变与外侧腹板弯扭的耦合效应,由于两者都会非线性 增大、翘曲形变也会引y L b @ e _起翘曲正应力并伴随剪应力出现以 及双支座时可能产生的半径内侧支座脱空的现象。综合考 虑上述问题后,曲线桥的跨径最好不要过大,以15m跨径最 为适宜,而更好的办法就是尽可能采用普通钢筋混凝土结 构,避免使用预应力,同样3 . ! =这种办法也是以跨径不能过大 为前提的。

综上所述,本桥上部结构拟定两个方案:方案一:5&ti& V p ; z A 7 O Ymes;13m预制钢筋混凝土空心板方案,U台、扩大基础,桩 柱式桥墩;方案二:4×15m普通钢筋混凝土现浇T 8 # y f s连续箱梁 方案,U台、扩大基础,固结独柱墩、独柱墩、桩基础(方 案二见图3)。

1.2.2 上部方案比选 

根据前文的论述,这两个上部结构方案本身是有理论 依据的,并且是有比较价值的。具体比较如下: 

⑴方案一特点 由于全桥都位于平曲线段上,因此采用主梁调整预制 长度,如图1所示,空心板翼板的宽度根据曲线半径确定 预制长度;因为每跨梁长的不同,所以在结构计算及配筋 时d } | t ^,需要根据梁长的差别按照不同梁长级配计算配筋,这 样缺点是:j z . x 

①设计阶段设计周期会增长; 

②实施阶段会因为增多了模板套数而抵消预制结构原 有的节省工期以及比现浇结构节省造价% S T的优势;

③运营阶段上部结构还会由于横向不同、梁板板长和 刚度不同更易在铰缝处形成通长裂缝,影响运营期的使用 以及增高养护成本。

⑵方案二特点 同样全桥位于V : * c平曲线上,现浇结构可以避免方案一 所叙述的问题;采用较小跨径而7 } M \ 6实现的普通钢筋混凝土结 构,避免了预应力的径向分力对结构内力以及对抗扭性能 的影响。对于曲梁在外荷载的1 0 } k作用下会形成挠曲变形与弯扭耦 合共同变大的情况,但对于受力模型来说还是跨中下缘形 变与耦合更严重,普通钢筋在1 B 9 S这个位置随变形增大而增加 使用效率,同时V L M提供了更好的抗弯扭和对抗翘曲正应力的 效果。根据结构受力分析比较,在15m跨径的? \ b &35m半径时,内u A L外腹板跨中处弯矩较内外腹板弧线长度对应跨径的直桥跨 中弯矩数值相近,故可以简化I Z D (为根据内外腹板弧长的直桥来进行替代内力计算,从而减短设计周期;由于桥面横坡为5%,梁底为平坡,w h & $ $ I x q半径外侧腹板比内m J d Z 0 Y P 侧腹板高,这正符合了内外侧抗弯与抗扭的区别,客观上 降低了一定的梁高;腹板采用钢筋D s v A c骨架配筋增加整体性、抗弯能力、抗扭 能力,同时也对翘曲形b v P | } Z变引起的翘曲正应q L Z a i力及其伴k ( D A +生的剪 力有一定抵抗能力。

经上述比选后上部b L 9 F c结构选用方案二,D H w | H 1这个方案在构造 合理性、全寿6 M D } d O命工期及经济综合评价以及上部结构具体Y @ B * ? r i受 力条件的改善方面都更为出色。

小半径桥梁桥型比选案例分析

1.2.3 下部方案比选 

通过上部方案比R b m ] . O + } l选,选定了普! ~ o D I ] U通钢筋混凝土现浇箱梁 的方案,下部结构就以上部本方案为基础,选g v q + B !择了两V s 7 5 - {个方 案比选。

方案一:固结独柱墩、独柱墩、承台、桩基础,固结 独柱墩布置在1、3号桥墩(如图3),2号墩为独柱墩。w $ H 8 G w | 

l l # 9 L , I案二:偏心独柱墩、承台、桩基础。鉴于桥梁所在 路线圆曲线半径较小且存在缓和曲线段,无法根据圆曲线 线形大、小桩号方向对称布置,以缩短设计、实施阶段周 期,故而全桥墩柱采用径向布置。上述方案的力学模型最大的差别在于,方案一活载作 用在径向S = = m f e剖面(见图4)上时,对结构整体产生的最大弯矩 较小。活载最不利工况力学模型的受力特点是:利用径向剖 面双侧桥墩以外的上部结构自重^ ^ P +,平衡两侧桥墩内的恒载 及+ / } ^ h \ c3 j S J u * ~载对相邻两桥墩墩顶主梁构成的负弯矩(如固结墩顶 同样有弯矩)。在综合考虑了两个方面因素后,最终推荐方案一,其 比较过程如下。

稳定性分析 :本结构采用了固结独柱墩与独柱墩相结 合的墩身结构,15m跨径对应中35m半径处的跨中最外侧可 能出现的受力点到此跨两独柱墩支点连线的距离为:5.0m (直桥为4.3m),差值为0.7m(如图4中跨中截面桥梁中心 线到桥墩中心线的距离),经计算在不考虑墩顶固结的最 不利情况下,也不会造成边跨半径内侧支座脱空的现象出 现,故而不需要利用偏心下部结构保w m g @ 6 4 +证稳定性,否则方案 二势必会由于下部偏心结构而增加造价,就稳$ Z 8 - m U @ }定性分析而 言选用方案一为宜。抗震及整体性分析:方案一与方案二在墩梁结合处的 区别是:以支座作为上下部结构过渡的墩身仅承受并向上 部结构传递了轴力、剪力,而固结墩除了传递轴力、剪力 外,同时还承受\ u b c V弯矩作用,有效K f H $ 3 - ~ t的减小了上部结构的= H D 4 X U ~ S j自由 度,提高B j d Q D &了桥梁整体的抗震稳{ * J 5 p t定性,并能有效防止纵坡过 大以及其他原因造成落梁。由于固结墩采用了矩形截面,所以主要是径向方向与 切线方向自由度较大,并且由于尺寸的原因桥墩给上部构 造增加的刚度很小。能更好利用桥梁整体的刚度对内力进 行再分配,以提高整体性。由此可见从抗震及整体性分析而言选用方案一有一定 优势。经上述比选后下部结构u = O选用方X u \ i w ! V案一。

2 设计要点

由工程实例总结的非匝道小半径桥梁设计要点。根据上文对工程实例讨论研究,在综合考虑造价和工期后,现将对于与上文中工程实例同类型项目的小半径桥梁(匝道桥除外)具有普遍意义的设计要点,特归纳如下。

2.1 桥- m $ w跨布置及方案选定注意应结合布跨结果,布置固结墩的位置,以及非固结墩台的支座选用。一般情况下,二级及以下公路的小半径桥梁多是在陡坡深沟j T S处,以路线贴近等高线走向以减小工程量。这种路段一般为缓和曲线加圆曲线加缓和曲线的形式Q o M [ d G h。所以,一般来说在地形、水文条件允许的情况下,尽量在圆曲线曲中点附近布置一个桥墩,圆曲线所在的一联桥梁尽量以此桥墩为基准对称布置,可以最大可能的避免边跨半径内侧支座脱空,并且这种布跨方案在活载作用的最不利情况下(见图4)对结构整体产生的弯矩最小。

2.2 结构尺寸的方案拟定原则 在条件允许的情况下,尽量降低梁高,尽可能减小固 结/ ? [ f . | w W墩墩柱的截面尺寸,增大桥墩的柔度,这样可: [ v ; ^ k T P wg h o ~ & : [尽量减 小桥墩由于固结对上部结构内力3 R V的影响,并让下部结构在 由于上部结构翘曲形变* k Z X G产生翘曲正应力时更有效的参与内} u c 0 O X x 力再分配,使结构受力更合理,项目投资更高效。 

2.3 结构计算要点 结构计算要点包括:进行正常独柱墩径向剖面的上部 稳定性计算(边界条件按简支计算);采n \ d # + i用偏心墩的整a D ; K 8 K体 稳定性计算(边界条件按简支计算);如偏心墩无法完全 解决支座脱空问题,就需要进行固结偏心墩的整体稳定性 计算(边界条件在固结墩处采用固结计算)并且根据固结 界面不同情况进行截面配筋验算。

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THE END
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