整體式橋臺橋梁設(shè)計要點研究論文
摘要：分析了整體式橋梁在設(shè)計時需要考慮的結(jié)構(gòu)與土體相互作用、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次應(yīng)力、臺后填土抵抗作用等顯著特點，探討了黑龍江富裕整體式橋臺橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計和細(xì)部構(gòu)造的特殊性設(shè)計，并對該橋的計算要點進(jìn)行了簡要分析，對該類型的橋梁設(shè)計給出了實際可行的建議。
關(guān)鍵詞：整體式橋梁；橋梁設(shè)計；框架；結(jié)構(gòu)－土的相互作用；土的水平抗力系數(shù)
中圖分類號：U443．21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
近來，國內(nèi)外整體式橋臺橋梁(即沒有接縫的橋梁)建造的越來越多。這是由于相比傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)來說，這種橋梁在提高橋梁耐久性和行車的舒適性以及管養(yǎng)方面所占有的優(yōu)勢。眾所周知，橋梁伸縮縫不僅極易磨損，而且維修費用很高。盡管這些設(shè)備的制造費在總建造費中僅占3%左右，但其養(yǎng)護(hù)費用卻占整個結(jié)構(gòu)總養(yǎng)護(hù)費用的12%左右。而且，磨損的伸縮縫也是橋梁結(jié)構(gòu)受損的原因。例如，易漏的接縫會滲入解凍劑。而整體式橋臺橋梁的誕生很好地解決了這一難題。其將上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行固結(jié)可得到最優(yōu)化的利用，使得更小的截面和高跨比成為可能。這樣，結(jié)構(gòu)使用的材料少了，從美學(xué)角度看更吸引人；同時，由于上下部固結(jié)帶來的內(nèi)力和彎矩的重分布可提高結(jié)構(gòu)承載能力，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會提高。本文通過黑龍江富裕整體式橋臺橋梁的設(shè)計，分析了整體式橋梁在設(shè)計時需要考慮的顯著特點，探討了整體式橋臺橋梁的設(shè)計、計算和細(xì)部構(gòu)造的特殊性設(shè)計。
1整體式橋梁在設(shè)計時需考慮的顯著特點分析
(1)整體式橋梁結(jié)構(gòu)中上下部結(jié)構(gòu)連接在一起，整個結(jié)構(gòu)嵌入在周圍土地中，并與土體相互作用。
(2)由于變形受到約束，以及溫度效應(yīng)和支座的不均勻沉降，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生次應(yīng)力。次應(yīng)力會影響整個結(jié)構(gòu)的受力特性，特別是在正常使用極限狀態(tài)下。
(3)對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)需要靠考慮到部分預(yù)加力并不會對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，而通過下部結(jié)構(gòu)直接傳至基礎(chǔ)。
(4)所產(chǎn)生的次應(yīng)力很大程度依賴于結(jié)構(gòu)幾何形狀、上下部結(jié)構(gòu)的剛度比以及基礎(chǔ)的剛度。對于上下部結(jié)構(gòu)固結(jié)起來的結(jié)構(gòu)，需要對結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度進(jìn)行如實建模，從而通過計算模型可得到真實荷載。在模擬整體式橋的基礎(chǔ)時，取用土的不利地質(zhì)參數(shù)并不是一個保守的方法。事實上，如果基礎(chǔ)剛度取得太小，溫度效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)產(chǎn)生的約束反力就會被低估，這就是整體式橋梁在計算約束反力時常需要考慮地質(zhì)參數(shù)的上限值和下限值而分別計算的原因。
(5)承載能力極限狀態(tài)下，混凝土結(jié)構(gòu)開裂后其剛度減小，由約束產(chǎn)生的內(nèi)力和彎矩會相應(yīng)地減小。因此，選擇恰當(dāng)?shù)臉?gòu)件截面形式可以在一定程度上控制所產(chǎn)生的次應(yīng)力的大小。
(6)基本上不管約束力如何，整體式橋梁和有接縫的傳統(tǒng)橋梁一樣，溫差作用下在縱橋向會經(jīng)歷相同的長度改變，但是，其伸縮不是通過設(shè)置的伸縮縫而得以減少，而是傳遞到橋臺的臺背后填土上。根據(jù)每次溫差變化大小，橋臺的背墻土?xí)邢蚯胺胶秃蠓降腵偏移，并且每年都有達(dá)到最大值。此外還需考慮因徐變和收縮產(chǎn)生的單向移動速率。
(7)施工結(jié)束后，即刻產(chǎn)生的靜止土壓力會因橋臺首次離開土體方向的移動而緩解，即主動土壓力。相反地，橋臺向土體推移產(chǎn)生部分被動土壓力，特別是在上層土體中。在溫差變化下，這種周期性反復(fù)的移動會壓實后背填土。除了下層土壓力增大外，這種壓實作用會使后背填土沉降。徐變和收縮引起的背填土離開土體方向移動，會進(jìn)一步使后背填土沉降。因此，在不同跨徑的整體式橋梁中會常采用不同形式的橋頭搭板。
2富裕立交橋設(shè)計
2．1工程簡介
富裕立交橋為黑龍江省第一座整體式橋臺橋梁，坐落在嫩泰高速訥河至嫩江段K55+680處，該橋位于黑龍江省齊齊哈爾市富�？h境內(nèi)，連接富裕縣城與工業(yè)園區(qū)，重載車輛較多，建成于2009年10月，運營7年，狀態(tài)良好。
2．2總體幾何布置
基于橋位和跨越國道的要求，該橋設(shè)計為一座跨徑布置為4×16m、橋?qū)挒閮?2m的橋梁，該橋為直橋且橋梁的中軸線與橋下國道相交成90°的角，縱向位于半徑Ｒ=2000m的豎曲線上。
2．3橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
富裕整體橋橋梁跨徑為16m(共4孔)，橋梁全長70m。全橋不設(shè)伸縮縫，臺梁固結(jié)。
(1)上部結(jié)構(gòu)
上部結(jié)構(gòu)采用先簡支，后轉(zhuǎn)墩(臺)固結(jié)的整體式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋臺被墻與空心板梁端現(xiàn)澆段一體澆注。
(2)橋臺
采用單排三柱式柔性橋臺，構(gòu)造圖見圖5所示，臺梁固結(jié)，樁、臺與梁共同受力。為解決臺蓋梁與臺柱剛度變化大帶來的臺柱身易出現(xiàn)裂縫的問題，設(shè)計時在臺柱身上部4m范圍內(nèi)設(shè)置了V字形承托；為有效解決橋臺離開土體時臺后填土侵入臺土間的空隙和水侵蝕橋臺的問題，設(shè)計時采取在臺后涂刷改性瀝青防水層；并設(shè)置泡沫塑料壓縮層，進(jìn)而減小臺后土壓力作用。
(3)橋墩
整體式橋梁的橋墩需承受較大的縱向位移，因此本橋在設(shè)計時采用D=1．2m的雙柱式柔性橋墩，構(gòu)造圖見圖6所示，以減小橋墩的剛度。為減小柱身的應(yīng)力，設(shè)計時在橫向柱身上部4m范圍內(nèi)設(shè)置了V字形承托，以增強(qiáng)柱身強(qiáng)度。
(4)基礎(chǔ)
為了承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳遞的位移，設(shè)計時采用了柔度比較好的鉆孔樁基礎(chǔ)。為減小因溫度、凍脹等荷載引起的約束力，在距樁頂以下2～3m，樁側(cè)1m寬范圍內(nèi)采用砂土進(jìn)行換填。
(5)臺(墩)梁結(jié)點處理
本橋在臺(墩)梁處采用固接方式的結(jié)點，結(jié)點預(yù)留鋼筋現(xiàn)澆混凝土的方式形成，將上部橋梁結(jié)構(gòu)和下部橋臺(墩)剛性相連在一起。
(6)搭板及臺后填土處理
橋臺兩側(cè)設(shè)置2×4m長搭板，兩段間設(shè)置枕梁作為支撐。為適應(yīng)水平位移，設(shè)兩道寬變形縫。板底涂改性瀝青以減弱板底面約束效應(yīng)。為減小臺后沉降并降低水害，采用水撼砂礫作為臺后填料。臺后填料應(yīng)分層夯實碾壓，壓實系數(shù)應(yīng)達(dá)到0．95以上。為解決臺后排水問題，在臺帽底設(shè)置兩道橫向排水盲溝。
3富裕整體式橋梁的計算要點簡析
本橋為整體式橋梁，利用墩臺的柔性，來適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形。在內(nèi)力效應(yīng)分析時，應(yīng)考慮上部、下部與臺后土的相互作用。本次設(shè)計采用TDV軟件，建立二維彈簧～框架計算模型，見圖9所示，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力效應(yīng)計算。上部結(jié)構(gòu)、墩臺采用框架分析的內(nèi)力效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計；樁的設(shè)計，將框架分析的內(nèi)力作用于樁頂，依然按《公路橋涵基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的“m”法進(jìn)行設(shè)計。該橋計算的關(guān)鍵是如何模擬土的水平抗力作用。本橋臺后填土為中砂，設(shè)計時為模擬土體與結(jié)構(gòu)的相互作用，將土的水平抗力系數(shù)作為受壓彈簧單元的剛度輸入模型�？紤]到土層的多樣性，該橋計算時采用“m”法計算土的水平抗力系數(shù)kh，其公式如下：
kh=m·z·b(1)
式中，m為各土層實測數(shù)據(jù)，z為土層的深度，b為結(jié)構(gòu)計算寬度。
4結(jié)語
整體式橋梁以其良好的耐久性和無需經(jīng)常維修而廣受推崇。該類型橋梁在設(shè)計時需要結(jié)合結(jié)構(gòu)與土體相互作用、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次應(yīng)力、臺后填土抵抗作用等受力特點，應(yīng)采取有效的方法模擬土的水平抗力作用，有效考慮上部、下部與臺后土的相互作用；并在具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造上進(jìn)行特殊設(shè)計，采取有效的處理措施，盡量減少次應(yīng)力、臺后填土作用的不利影響。
參考文獻(xiàn)
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