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纳雍河大桥下部结构设计
作者:赵洪丽
来源:《建筑工程技术与设计》2014年第13期
摘要:纳雍河大桥主桥为预应力混凝土变截面连续刚构桥,引桥为预应力混凝土现浇箱梁。主要介绍了双薄壁墩在连续刚构桥桥墩设计中的应用,系梁在高墩中的受力特点。对水库区桩基的受力进行了分析计算。
关键词:连续刚构,双薄壁墩,系梁,塌岸线 一、工程背景
纳雍河大桥是黔中水利枢纽库区X760线淹没路复建工程的关键工程,桥址位于库区X760线复建路桥区,贵州毕节地区纳雍县境内塘上村附近,是当地居民出行及与纳雍县、织金县、六枝特区经济交往的主要交通要道。
桥址地处贵州高原西北部斜坡地带,受侵蚀-剥蚀影响,地形条件复杂,属中等切割的侵蚀-剥蚀高中山地貌。桥位横跨纳雍河,北岸桥台坡面较平缓,为耕地,南岸为一斜坡,坡度较陡。场区上覆地层为第四系残坡积层粘土,下伏地层为三叠系下统夜郎组砂岩,分强风化亚层和中风化亚层。 二、技术标准
道路等级:双向两车道四级公路,桥面宽度10m:9m净宽+2x0.5m安全护栏,荷载等级:公路-Ⅱ级,设计行车速度:20km/h,大桥设计洪水频率:1/50,设计洪水频率:1/50,该场区抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.05g。 三、总体设计
为满足安全、耐久、适用、经济、美观等方面的要求,主桥选用预应力混凝土变截面连续刚构桥,引桥采用预应力混凝土简支现浇箱梁,跨径组成为64.2m+110m+64.2m主桥+25m引桥,总长263.4m,桥宽10m。主墩采用双薄壁墩,钻孔灌注桩基础;过渡墩采用实体墙式墩,钻孔灌注桩基础;桥台采用一字型桥台,分别采用扩大基础和钻孔灌注桩基础。 四、桥墩设计
1、连续刚构桥桥墩形式
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受力较为复杂的高墩当属连续刚构桥的柔性墩,从构造上讲,柔性墩可分为双薄壁墩和单薄壁墩两种,目前国内高墩以双薄壁墩为主,单薄壁墩为辅。连续刚构多采用双薄壁墩,主要出于以下几方面考虑:
(1)双薄壁墩双肢之间保持一定的距离,构成很大的纵桥向抗弯刚度,可减小主墩负弯矩;
(2)高墩大跨连续刚构桥在横桥向的约束很弱,桥梁在横向不平衡荷载或风载作用下,易产生扭曲、变位,双薄壁墩横桥向抗扭刚度大,对承受风荷载有利;
(3)纵向抗推刚度小,可有效降低由于墩梁固接带来的温度、混凝土收缩徐变影响,可减小墩柱对中跨梁体的约束;
(4)双薄壁墩结构形式上有利于悬臂浇筑法施工。根据以上分析,本桥主墩1、2号桥墩采用双薄壁墩(等截面圆端形实心墩)较为合理,桥墩厚度为1.6m,横桥向直线部分宽度5m,两端半圆直径1.6m,圆端形双薄壁墩中心距7.1m,考虑到高墩施工过程中的稳定性,墩身加入劲性骨架设计。承台厚度4m,横桥向尺寸15m,纵桥向尺寸11.6m,考虑到大体积混凝土施工时产生的水化热影响,在承台内设置冷却水管。 2、系梁的设置
高墩桥梁稳定性一直是影响桥梁结构安全的关键因素,如何在保证桥梁外形美观、结构受力合理的情况下提高高墩桥梁的稳定性,是工程技术人员一直在探讨的问题。本桥主墩在二分之一墩高处设置系梁,截面高度1.2m,宽度5.5m,以提高桥墩的稳定性,双薄壁墩系梁主要承受恒载、活载和温度作用。恒载作用与普通固接梁一样,温度和活载作用都使系梁发生错动,温升与跨中活载作用效应规律相类似,温降与边跨活载作用效应规律相类似。系梁在恒载、活载和温度组合作用下,上下缘均可出现拉应力,故配筋时应注意上下缘都配受拉钢筋,尤其系梁与墩柱连接部位是受力较大的位置。
关于设置系梁,国内学者结合工程实际做过大量分析,综合起来大致得出如下结论: (1)增加墩间横系梁后,无论是最大悬臂阶段还是成桥阶段,桥梁的顺桥向稳定性均有较大的改善,而对于桥梁的横向稳定性基本上没有影响。
(2)增加横系梁后,桥梁顺桥向的水平抗推刚度也随之有所增大,但是增大比例不大,对于跨径较大的桥梁,小幅度的水平抗推刚度增大对上部主梁的计算结果影响不大。 (3)双薄壁墩若设一道系梁,其位置应设在1/2墩高处,双薄壁墩若设两道系梁,其位置应靠近1/2墩高处为佳。 五、基础设计
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基础采用桩径2.5m的钻(挖)孔灌注桩,基桩按纵向两排、横向三排布置,每个承台下共6根桩,按嵌岩桩设计。主、引桥间3号过渡墩采用等截面圆端形实心墩,墩身厚度1.8m,横桥向直线部分宽度3.55m,两端半圆直径1.8m,承台尺寸为7.5x7.5x3m,同样需要设置冷却水管。基础采用桩径1.5m的钻(挖)孔灌注桩,基桩按纵向两排、横向两排布置。桥台均采用一字型桥台,0号台采用扩大基础,4号台采用桩基础。 1、常规桩基受力计算
桩基础计算一般包括单桩极限承载力和桩身强度的设计或验算。单桩承载力的内力只需考虑最大竖向力的组合,比较简洁。进行桩身强度内力计算则类似于墩柱,属于偏心受压构件(对于群桩可能会出现偏心受拉构件),因此可以利用与墩柱一致的方法,计算墩柱的内力组合,根据桩的地质条件,按规范规定的一系列方法计算得到桩对应的最不利内力组合。对于群桩基础只要得到承台底的不利组合,即可根据规范进行分配。
桩基在水平力和弯矩作用下,若承台座板埋于局部冲刷线或地面以下,可考虑座板侧面和桩身侧面土的弹性抗力的作用。如果座板底面位于局部冲刷线或地面以上,则只考虑桩身侧面土的弹性抗力的作用。《公路桥涵设计通用规范》列出了“m”法的桩基计算方法,该法以“m”代表地基系数随深度变化的比例系数。 2、本桥桩基受力的特殊性
场地南岸地形较陡,开挖形成临空面易产生局部滑塌。综合地质调绘、物探及钻探资料,场地地表土层相对较厚,下覆地层强风化砂岩体破碎、岩质软,当受到雨水等各种地质因素影响时,岩体易软化、崩解。当库区建成蓄水后,库区地质、水文环境将会发生改变,在库区水的长期作用下,将引起桥两岸覆盖层及强风化砂岩发生坍塌,对基础的稳定性产生一定的影响,施工过程中建议对开挖后的边坡采用锚索格构支护。地勘单位通过对场地进行地质调绘,根据《工程地质手册》有关土的经验数据,采用综合计算法计算库区库水位以下稳定坡角、库区洪水位以上稳定坡角、以确定最终塌岸线,塌岸线分布如图1所示。
从安全角度考虑,桩基设计中不计该土层的横向抗力,亦即认为桩埋入土中深度h=0,每一根桩在局部冲刷线处:
δHH(0)=δHM(0)=δMH(0)=δMM(0)=0
每一根桩桩顶处的δHH、δMM、δHM,分别为δHH= 、δMM = 、 δHM=δMH= 则ρPP=,
ρHH=,ρMH=ρHM=,