1、文章编号:1003-4722(2003)02-0035-03千岛湖大桥主桥设计构思陈 铭,杨正武(中铁大桥勘测设计院,湖北 武汉430050)摘 要:根据桥址处建桥自然条件的特点及位于著名风景区的地理位置要求,千岛湖大桥主桥采用(70+7105+70+40)m多孔长联V形墩预应力混凝土连续刚构,基础采用大直径嵌岩钢管混凝土桩。着重介绍了大桥的桥型、结构整体构思及桩基结构型式选择与施工方案,并简述了主梁、主墩的设计与施工。关键词:刚构桥;预应力混凝土结构;V形桥墩;桥梁设计;钢管混凝土桩中图分类号:U448.23;U443.159文献标识码:ADesign Considerations for
2、Main Spans of Qiandao Lake BridgeCHEN Ming,Y ANG Zheng2wu(China Zhongtie Major Bridge Reconnaissance and Design Institute,Wuhan 430050,China)Abstract:In the light of the natural conditions at Qiandao Lake Bridge site and the environmental re2quirements of the famous scenery spot,the main spans of th
3、e Bridge are designed as a prestressed concretecontinuous rigid2frame bridge on V2shape piers,which is characteristic of multiple spans and long continuousunit arranged in(70+7105+70+40)m.The large diameter concrete2filled steel pipe piles to be built in2to rocks are selected for use for the Bridge
4、foundations.This paper focuseson the bridge type,design consider2ations for the overall structure,selection of pile foundation structures and construction schemes,and also briefsthe design and construction of the main girder and piers.Key words:rigid2frame bridge;prestressed concrete structure;V2sha
5、pe pier;bridge design;concrete2filled steel pipe pile收稿日期:2002-12-25作者简介:陈 铭(1969-),男,工程师,1993年毕业于西南交通大学桥梁与地下工程系桥梁专业,工学学士。1 概 述千岛湖即新安江水库,是新安江水电站建成蓄水后形成的人工湖,是全国最大的国家森林公园和国家4A级风景旅游胜地。千岛湖大桥建成后将改善“杭州西湖 千岛湖 安徽黄山”黄金旅游线的交通状况。大桥全长1 258.1 m,设计荷载为汽 20,挂 100验算,人群荷载3.5 kN/m2,桥面宽18.0 m,双向4车道,桥下通航净宽按5级航道考虑。根据勘测资料
6、,桥址处建桥自然条件具有如下特点:(1)水域宽度较大,常水位湖面宽约1 200 m,距北岸约300 m有一暗礁(低水位时,暗礁露出水面)。(2)湖水很深,常水位深约45 m。(3)湖床覆盖层较薄,厚0.79.0 m,下伏岩层以泥质粉砂岩为主,岩面较平坦,基岩承载力较高,其单轴极限抗压强度2040 MPa。(4)桥址两岸临湖面岸坡达3050,地势虽陡峭,但湖床面平坦。2 桥型及结构整体构思鉴于上述建桥自然条件的特点及大桥位于著名53千岛湖大桥主桥设计构思 陈 铭,杨正武 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights res
7、erved.风景区地理位置的需要,桥型方案选择在实用、安全的前提下,重点考虑美观、经济。经多方案比选后,以暗礁为分界点,将全桥分成2联。暗礁以南为第1联,长约915 m,属主桥范围,选用观赏性和经济性都比较好的(70+7105+70+40)m多孔V形墩预应力混凝土连续刚构,主桥总体布置见图1。暗礁以北为第2联,长约300 m,采用560 m预应力混凝土连续梁。图1 主桥桥式立面 主桥采用多孔长联V形墩连续刚构方案具有以下优点:(1)充分利用深水中高桩承台基础,其抗推刚度小,能适应梁体因温度变化、混凝土收缩徐变产生的变位。(2)与同等跨度的连续梁和连续刚构相比,采用V形墩连续刚构缩短了计算跨径,
8、大大削减了跨中和支点部位的弯矩峰值,降低了梁高,节省了上部结构工程数量及减轻上部结构重量,从而使下部结构轻型化,降低了工程造价。(3)由2个斜腿及其顶部箱梁组成的V形墩,具有较大的抗弯刚度,使相邻孔荷载的影响大为减少,跨中基本克服了正负弯矩的交替,对疲劳寿命大为有利。(4)桥型结构轻盈美观,线条流畅,且能与周围环境相协调,建成后必将成为千岛湖旅游区又一人文景观。本桥属多孔长联V形墩预应力混凝土连续刚构,V形墩斜腿分别与梁和承台固结,由于斜腿抗推刚度大,使得桩的刚度对温度变化、混凝土收缩徐变及合龙索张拉等因素在桩身产生的次内力更加敏感,因此如何选择桩的结构型式和桩径,尽可能使其具有较大的承载能力
9、,同时又具有较小的抗推刚度,是设计研究的目标。3 桩基结构型式及下部结构设计根据桥位地质和库区水文条件,本桥采用嵌岩高桩承台基础。主墩桩长约55 m,自由长度约40 m,为提高桩的承载能力,并满足上部结构施工过程中桩的稳定性要求,宜采用较大直径的多排群桩基础。上部结构联长915 m 10孔V形墩连续刚构要求桩基既要有较大的承载能力,又要有较小的抗推刚度。经比较分析,钢管混凝土桩具有显著的优势。钢管混凝土结构是在空钢管内浇注混凝土,两者形成整体而共同工作的构件,管内混凝土在钢管侧向约束条件下,形成三向受压应力状态,不但提高了强度,而且还增大了塑性变形能力。由于钢管内存在混凝土,防止了薄壁钢管的局
10、部失稳,使钢材的抗压强度得以充分发挥,实际上也提高了承载力。采用钢管混凝土桩基也是由建桥条件和桥型方案决定的:(1)桩长的4/5处于水中(约40 m),因成孔和成桩的需要,钢管用量较大,如不考虑钢管参与受力,不仅不经济,也与实际受力不符。(2)由于桩的抗弯刚度与桩径的4次方成正比,较钢筋混凝土桩,在承载能力相同的前提下,采用钢管混凝土结构,可以减小桩径,相应桩的抗弯刚度也随之减少许多,既避免了在温度和混凝土收缩徐变作用下引起主梁纵向位移使桩承受过大的弯矩,又减少了钢筋和混凝土的用量。(3)若采用钢筋混凝土桩,成桩后的桩径比设计桩径大,且存在不确定性,在桥梁结构内力计算阶段桩的抗弯刚度难以确定,
11、严重影响计算精度。在设计过程中,曾对直径2.2 m的钢筋混凝土桩(假定采用直径2.5 m,板厚16 mm的钢护筒)和直径1.8 m、板厚24 mm钢管混凝土桩进行了比较,见表1。表中可以看出,与钢筋混凝土桩相比,采用钢管混凝土桩,钢管虽然增加7%,但钢筋约减少59%,混凝土减少50%,降低了工程造价,设计更合理。主墩均采用高桩承台钻孔桩基础,每墩设4根外径为1.8 m的钢管混凝土嵌岩桩,采用水下C35混凝土,其中1号、2号、7号、8号墩钢管壁厚24mm,36号墩钢管壁厚22 mm,钢管伸入承台1.863桥梁建设 2003年第2期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Opti
12、cal Disc Co.,Ltd.All rights reserved.m。钢管混凝土桩结构示意见图2。表1 钢管混凝土桩和钢筋混凝土桩比较项目1.8 m钢管混凝土桩2.2 m钢筋混凝土桩钢管/tm-11.050.98混凝土/m3m-12.414.78钢筋/kgm-1183450单桩轴向受压承载力/kN80 00069 000抗弯刚度EI/kNm22.571077.81107体系升温158号墩桩底弯矩/kNm4 90012 150图2 钢管混凝土桩结构示意V形墩斜腿为板式钢筋混凝土结构,斜腿轴线与墩中心线交角45,上下固结,斜腿长为13.816.5m,横向宽7.5 m。斜腿根部厚2.0 m,
13、与箱梁固结处厚1.031.21 m。墩座为普通钢筋混凝土结构,墩座顺桥向5.328 m,横桥向宽7.8 m,高4.0 m。4 上部结构设计主梁采用单箱单室斜腹板截面(图3),V形墩顶上的箱梁梁高4.2 m,长29 m,合龙段及边跨直线段梁高2.7 m,V形墩斜腿顶部至合龙段梁底按圆曲线过渡。箱梁顶板宽18.0m,两翼悬臂长4.15 m,全桥顶板厚0.25 m(箱梁中心线处),腹板厚0.5 m,底板厚由斜腿处的0.5 m按圆曲线变化至合龙段的0.25 m。箱梁共设横隔墙19道,厚均为1.0 m,其中V腿顶各设1道,斜腿和横隔墙的轴线交于箱梁底线上,0号墩和9号墩、10号台各设1道横隔墙。箱梁为纵
14、向、横向及竖向预应力体系,箱梁纵向预应力钢束采用19j15.24、12j15.24及9j15.24三类钢绞线。箱梁典型断面纵向预应力钢束类型及数量见表2。箱梁顶板横向预应力束采用3j15.24钢绞线,沿桥轴线按0.5 m间距布置。在V形斜腿处箱梁横隔墙及主梁主拉应力较大的区段设置竖向预应力钢筋,采用直径为25 mm的精轧螺纹粗钢筋。图3 箱梁根部及跨中截面表2 纵向预应力钢束类型位置顶板束底板束腹板束V形墩顶22束19j15.244束12j15.2416束9j15.24中跨跨中2束12j15.2426束12j15.24 70 m跨合龙段2束12j15.2420束12j15.24 40 m跨跨中
15、6束12j15.2420束12j15.24 5 嵌岩钢管混凝土桩施工方案主墩基础均为深水基础,施工难度较大,主要面临以下难点:水深,钻孔桩施工期间水深4555m;覆盖层薄;钢管必须嵌入微风化岩面,且要求成桩后的钢管混凝土桩倾斜不大于3。但也有流速小、水位相对稳定、基岩埋置浅等有利条件。针对上述施工难点及湖区内无大型起吊设备和大吨位驳船的实际情况,钢管混凝土桩施工利用浮动平台完成。浮动平台由浮箱组成,浮箱上设置龙门架起重系统及锚定绞车定位系统,浮动平台用较强的锚定系统固定。钢管混凝土桩施工主要通过在已成的孔内吊放钢管桩、浇注孔底和桩侧混凝土等工序形成嵌岩钢管桩,然后在钢管内灌注混凝土。其施工流程
16、见图4。6V形墩结构和主梁施工V形墩结构是由2个斜腿及其顶部箱梁组成的倒三角形结构,斜腿施工可采用外部安装平衡膺架,内部埋设劲性骨架以承受模板、钢筋及混凝土浇注时荷载的施工方法;V形墩顶部箱梁在支撑于承台的膺架梁上施工。主梁除边跨部分节段在支架上浇注外,其余节(下转第49页)73千岛湖大桥主桥设计构思 陈 铭,杨正武 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.C,满足要求。(3)混凝土抗渗等级应达到W12级以上。(4)水泥熟料中铝酸三钙含量控制在6%12%。(5)混凝土中氯离子含量不应大于200 m
17、g/L。3.3 混凝土施工注意事项(1)为提高混凝土质量,采用商品混凝土。严格控制混凝土坍落度,增加混凝土的拌和时间至120 s。(2)混凝土保护层对钢筋的防腐蚀极为重要,因此不仅要求混凝土保护层垫块的强度和密实度高于构件本体混凝土外,同时要求保证混凝土保护层垫块厚度尺寸不出现负误差。下洞大桥混凝土保护层垫块采用抗压强度不小于40 MPa预制混凝土滚轮,施工时将滚轮套在主筋上形成混凝土垫块,垫块布置密度为每平方米4个。(3)处于水位变动区和浪溅区的墩柱混凝土和40 cm厚的混凝土防护层一次浇筑施工。(4)加强混凝土振捣,确保混凝土密实。(5)加强混凝土养护管理,确保混凝土处于有利于硬化及强度增
18、长的温度和湿度环境中,并有足够的养护时间。在结构混凝土养生期间,杜绝结构物与海水接触。(6)拆模后应及时安排检查验收结构物混凝土质量,如结构物出现漏筋、空洞、冷缝、夹渣、松顶及裂缝现象,必须及时处理。需进行涂装的混凝土构件,必须先将混凝土的外观质量缺陷处理完成后,再安排涂装施工。(上接第37页)图4 桩的施工流程段采用挂篮对称悬浇施工。为减少混凝土收缩徐变及合龙索张拉等因素在1号、2号、7号、8号墩桩身产生的次内力,合龙顺序由中跨向两岸对称合龙。每跨合龙前,将箱梁对着边跨方向顶开,这样可以减少桩顶向主跨方向的位移,尽可能使桩身约束力保持在低水平上。7 结 语千岛湖大桥设计着眼点于景观、新技术和
19、经济性等方面,主桥因地制宜地采用了(70+7105+70+40)m V形墩预应力混凝土连续刚构方案和大直径钢管混凝土桩基础。钢管混凝土结构虽然在建筑基础工程中有较多的实践,但在桥梁基础中的使用实例较少,像本桥这样大规模的运用,国内尚无先例。由于多孔长联V形墩连续刚构的特殊性,施工过程中应对钢管混凝土单桩的抗弯刚度及群桩的水平抗推刚度进行检测,与设计采用的值对比并给予修正。千岛湖大桥已于2002年9月正式开工,预计在2005年9月竣工通车。94盐坝高速公路下洞大桥混凝土的防腐设计与施工 孙 策 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.
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