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组合结构桥梁跨径的突破——深圳东宝河新安特大桥设计与创新

大跨度波形钢腹板预应力混凝土箱梁是以波形钢板代替混凝土腹板,并采用体外预应力的新型钢—混凝土组合结构,简称波形钢腹板PC组合箱梁桥。近年来,随着国内有关设计单位和高校对该桥型关键技术深入的研究和实践,波形钢腹板PC组合桥梁在我国也得到快速发展和广泛应用,已相继建成该类型桥梁数十座。本文以深圳东宝河新安特大桥为例,介绍这种创新型组合结构桥梁的设计要点。


工程概要

东宝河新安特大桥位于深圳沙井与东莞长安之间的东宝河上,该桥西接长安建安路,东接沙井新和路,是深莞重要过境通道。道路全长1.45km,其中桥梁长1.04km, 主线双向6车道。受规划道路红线、500KV高压走廊、IV级航道及两侧建筑物和纵坡控制,桥梁线位与水流主流方向斜交角度约45°。为满足桥下通航及防洪要求,主桥跨径布置为88+156+88m。桥梁横向布置为双幅桥,单幅桥宽16.25m。上部结构采用波形钢腹板PC组合连续箱梁,下部采用柱径为6m的独柱式空心圆柱墩,承台群桩基础。


结构设计与创新

波形钢腹板PC组合箱梁是在普通预应力混凝土箱梁基础上演变出来的新结构,与预应力混凝土箱梁比较,将混凝土腹板置换成波形钢腹板后,抗弯刚度、剪切刚度和抗扭刚度都不同程度地减小了。因此,对立面布置、体外索及其横隔板的布置要求也与混凝土箱梁不同。

东宝河特大桥的横断面采用单箱单室结构,每幅箱梁全宽16.25m,箱梁顶板厚35cm,墩顶局部加厚至65cm,底板厚30~90.8cm,墩处局部加厚至160cm。箱梁标准横断面见图3所示。

虽然波形钢腹板PC组合箱梁桥在我国已得到推广应用,但大跨度波形钢腹板PC连续梁桥的设计和施工经验还不够丰富。由于大跨径连续梁悬臂法施工时,中墩处负弯矩和剪力均较大,如何解决支座处混凝土的抗裂、腹板抗剪屈曲和连接键抗剪设计,成为设计的难点。本桥初步设计时,采用传统设计方法拟定截面尺寸,选择连接键形式,确定混凝土标号和波形钢腹板厚度等参数。传统的波形钢腹板PC组合箱梁下翼缘为混凝土结构,吊挂于梁底, 混凝土抗拉性能较差,当用于跨中节段时,自重偏大,同时施工复杂。因此,运用组合结构原理,合理发挥材料的优势,本桥创造性地在中跨跨中区段,将下翼缘混凝土板替换为抗拉性能较好的钢板,可有效减轻自重,优化结构受力并解决底板开裂问题。

根据波形钢腹板PC组合梁的空间受力特点,采用杆系和实体精细有限元模型,对东宝河新安大桥进行全过程模拟分析,对原方案和优化方案进行对比。结果如下表所示,优化效果显著。

对比原方案与优化方案主要设计指标,由于在中跨跨中区段箱梁下翼缘使用钢板替换原混凝土板,跨中正弯矩区减轻重量268t,减轻比例约23%,中墩处最大负弯矩和最大剪力分别降低24%和19%。创新性的设计方案将本桥的设计难度大大降低,较好地解决了本桥的设计难点。中墩处顶板混凝土应力由原设计的0.9MPa拉应力改善为1.5MPa 的压应力,解决了该处混凝土的抗裂问题,提高结构耐久性。中墩处底板混凝土压应力最大值原方案约为18MPa, 接近正常使用极限状态下C60混凝土最大压应力允许值(0.5fck=19.25 MPa),优化后为15.1MPa,可采用C50混凝土。0号块波形钢腹板厚度根据原方案设计时采用34mm, 优化后为28mm,节约材料,方便钢板加工和施工。波形钢腹板与混凝土顶底板的连接键设计安全系数由原方案的1.1 提高到1.35。


科研项目

深圳东宝河新安特大桥按照传统设计方法,存在中墩支座处混凝土的抗裂、0号块腹板抗剪屈曲和连接键抗剪设计等难点问题。因此,有必要采用联合攻关方式,开展自主研发与集成创新,对东宝河新安大桥的设计施工提供技术支持,同时积极推动我国大跨度波形钢腹板连续梁桥建设技术的发展。

依托本工程开展的研究项目主要有以下两个:一是与清华大学聂建国院士团队合作开展了《大跨度波形钢腹板组合桥梁体系专题研究》;二是与日中设计咨询株式会社吉山博士团队合作开展了《大跨度波形钢腹板组合桥梁抗震性能及连接键研究》。

多年的工程建设实践表明,普通预应力混凝土连续箱梁桥存在两类工程病害:梁根部腹板开裂;跨中持续下挠。究其原因在于箱梁自重内力占设计内力比重过大,混凝土腹板抗剪、抗拉强度不足。而波形钢腹板PC组合箱梁桥用抗剪性能较好的钢板代替混凝土腹板,并实现了主梁的轻型化,增大了梁桥的跨越能力,有针对性地改善了预应力混凝土箱梁的上述两项弊病。

东宝河新安特大桥,在常规波形钢腹板箱梁桥的基础上,将中跨跨中底板采用钢结构代替混凝土,充分利用材料特性,降低结构自重、墩顶负弯矩和剪力,具有新颖性和创造性。本项目设计创新证明,我国大跨度波形钢腹板PC组合连续梁桥具备了设计主跨达到200m的技术条件和实施能力,这将是该类桥梁跨径上的突破。



 

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