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組合結構橋梁跨徑的突破——深圳東寶河新安特大橋設計與創新

大跨度波形鋼腹板預應力混凝土箱梁是以波形鋼板代替混凝土腹板,并采用體外預應力的新型鋼—混凝土組合結構,簡稱波形鋼腹板PC組合箱梁橋。近年來,隨著國內有關設計單位和高校對該橋型關鍵技術深入的研究和實踐,波形鋼腹板PC組合橋梁在我國也得到快速發展和廣泛應用,已相繼建成該類型橋梁數十座。本文以深圳東寶河新安特大橋為例,介紹這種創新型組合結構橋梁的設計要點。


工程概要

東寶河新安特大橋位于深圳沙井與東莞長安之間的東寶河上,該橋西接長安建安路,東接沙井新和路,是深莞重要過境通道。道路全長1.45km,其中橋梁長1.04km, 主線雙向6車道。受規劃道路紅線、500KV高壓走廊、IV級航道及兩側建筑物和縱坡控制,橋梁線位與水流主流方向斜交角度約45°。為滿足橋下通航及防洪要求,主橋跨徑布置為88+156+88m。橋梁橫向布置為雙幅橋,單幅橋寬16.25m。上部結構采用波形鋼腹板PC組合連續箱梁,下部采用柱徑為6m的獨柱式空心圓柱墩,承臺群樁基礎。


結構設計與創新

波形鋼腹板PC組合箱梁是在普通預應力混凝土箱梁基礎上演變出來的新結構,與預應力混凝土箱梁比較,將混凝土腹板置換成波形鋼腹板后,抗彎剛度、剪切剛度和抗扭剛度都不同程度地減小了。因此,對立面布置、體外索及其橫隔板的布置要求也與混凝土箱梁不同。

東寶河特大橋的橫斷面采用單箱單室結構,每幅箱梁全寬16.25m,箱梁頂板厚35cm,墩頂局部加厚至65cm,底板厚30~90.8cm,墩處局部加厚至160cm。箱梁標準橫斷面見圖3所示。

雖然波形鋼腹板PC組合箱梁橋在我國已得到推廣應用,但大跨度波形鋼腹板PC連續梁橋的設計和施工經驗還不夠豐富。由于大跨徑連續梁懸臂法施工時,中墩處負彎矩和剪力均較大,如何解決支座處混凝土的抗裂、腹板抗剪屈曲和連接鍵抗剪設計,成為設計的難點。本橋初步設計時,采用傳統設計方法擬定截面尺寸,選擇連接鍵形式,確定混凝土標號和波形鋼腹板厚度等參數。傳統的波形鋼腹板PC組合箱梁下翼緣為混凝土結構,吊掛于梁底, 混凝土抗拉性能較差,當用于跨中節段時,自重偏大,同時施工復雜。因此,運用組合結構原理,合理發揮材料的優勢,本橋創造性地在中跨跨中區段,將下翼緣混凝土板替換為抗拉性能較好的鋼板,可有效減輕自重,優化結構受力并解決底板開裂問題。

根據波形鋼腹板PC組合梁的空間受力特點,采用桿系和實體精細有限元模型,對東寶河新安大橋進行全過程模擬分析,對原方案和優化方案進行對比。結果如下表所示,優化效果顯著。

對比原方案與優化方案主要設計指標,由于在中跨跨中區段箱梁下翼緣使用鋼板替換原混凝土板,跨中正彎矩區減輕重量268t,減輕比例約23%,中墩處最大負彎矩和最大剪力分別降低24%和19%。創新性的設計方案將本橋的設計難度大大降低,較好地解決了本橋的設計難點。中墩處頂板混凝土應力由原設計的0.9MPa拉應力改善為1.5MPa 的壓應力,解決了該處混凝土的抗裂問題,提高結構耐久性。中墩處底板混凝土壓應力最大值原方案約為18MPa, 接近正常使用極限狀態下C60混凝土最大壓應力允許值(0.5fck=19.25 MPa),優化后為15.1MPa,可采用C50混凝土。0號塊波形鋼腹板厚度根據原方案設計時采用34mm, 優化后為28mm,節約材料,方便鋼板加工和施工。波形鋼腹板與混凝土頂底板的連接鍵設計安全系數由原方案的1.1 提高到1.35。


科研項目

深圳東寶河新安特大橋按照傳統設計方法,存在中墩支座處混凝土的抗裂、0號塊腹板抗剪屈曲和連接鍵抗剪設計等難點問題。因此,有必要采用聯合攻關方式,開展自主研發與集成創新,對東寶河新安大橋的設計施工提供技術支持,同時積極推動我國大跨度波形鋼腹板連續梁橋建設技術的發展。

依托本工程開展的研究項目主要有以下兩個:一是與清華大學聶建國院士團隊合作開展了《大跨度波形鋼腹板組合橋梁體系專題研究》;二是與日中設計咨詢株式會社吉山博士團隊合作開展了《大跨度波形鋼腹板組合橋梁抗震性能及連接鍵研究》。

多年的工程建設實踐表明,普通預應力混凝土連續箱梁橋存在兩類工程病害:梁根部腹板開裂;跨中持續下撓。究其原因在于箱梁自重內力占設計內力比重過大,混凝土腹板抗剪、抗拉強度不足。而波形鋼腹板PC組合箱梁橋用抗剪性能較好的鋼板代替混凝土腹板,并實現了主梁的輕型化,增大了梁橋的跨越能力,有針對性地改善了預應力混凝土箱梁的上述兩項弊病。

東寶河新安特大橋,在常規波形鋼腹板箱梁橋的基礎上,將中跨跨中底板采用鋼結構代替混凝土,充分利用材料特性,降低結構自重、墩頂負彎矩和剪力,具有新穎性和創造性。本項目設計創新證明,我國大跨度波形鋼腹板PC組合連續梁橋具備了設計主跨達到200m的技術條件和實施能力,這將是該類橋梁跨徑上的突破。



 

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