复杂曲线条件下钢桁组合连续梁桥创新设计方法浅谈延崇高速公路砖楼特大桥工程实践.pdf
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1、2022/6/2复杂曲线条件下钢桁组合连续梁桥创新设计方法浅谈延崇高速公路砖楼特大桥工程实践胡文军01工程概况目录CONTENTS02桥梁方案构思03桥梁结构设计及关键技术04主要施工方案及施工技术05结 语2022/6/201工程概况01工程概况2022/6/201工程概况项目地理位置延崇高速公路河北段是北京冬奥会期间进入崇礼赛区的公路主通道,是具有重要意义的政治性工程。其中三座景观钢桥更是延崇高速上最具奥运特色的桥梁工程。01工程概况杏林堡大桥砖楼特大桥太子城1号桥2022/6/201工程概况崇礼延庆砖楼特大桥K85+610砖楼特大桥为为两联(65+120+65)m上承式拱形变高钢桁组合连
2、续梁结构,左、右分幅布置。01工程概况砖楼特大桥位于项目中螺旋隧道-金家庄特长隧道出口位置,跨越两道V形深谷,最高桥高接近100m,桥梁具有可视景观性。本桥平面分别位于圆曲线上(右幅半径为860m,左幅半径为890m)、缓和曲线上。2022/6/201工程概况1.建设条件项目位于张家口市东北部,燕山山脉地带,地势总体北高南低,海拔9002110m。沿线微地貌单元主要为低山区、中山区、山间沟谷区。1.1 地形、地貌01工程概况1.建设条件桥位处年平均气温5.5,年降水量约450mm,最大冻土深度1.80m。其中崇礼区降雪早,全年存雪期150天,是中国著名的滑雪胜地。1.2 气象2022/6/20
3、1工程概况1.建设条件桥位区所在区域抗震设防烈度7度,设计基本地震动峰值加速度为0.10g,反应谱特征周期为0.45s,桥梁为B类,桥梁抗震措施设防烈度为8度。1.3 地震01工程概况1.建设条件桥位区地层主要为海西期强微风化二长花岗岩,上覆第四系洪坡积粉土、碎石等。工程地质条件较好。桥位区最大冻土深度为1.62m。1.4 工程地质2022/6/201工程概况2.主要技术标准(1)汽车荷载等级:公路-I级(2)桥梁宽度:双向四车道高速公路,(0.5m防撞护栏+行车道宽12米+0.5m防撞护栏=13m),桥梁按上、下行两幅桥设置,两幅间隔约30米。(3)地震动峰值加速度:0.10g,地震动反应谱
4、特征周期为0.45s。(4)耐久性设计环境条件:类(5)设计基本风速:V1032.5m/s02桥梁方案构思2022/6/202桥梁方案构思设计原则及控制因素桥梁结构型式选择应贯彻“功能适用、结构安全、结构耐久、造型美观、环境协调,技术先进”和工程可实施性的总技术目标。根据桥区环境及工程特点,本桥建桥的主要控制因素:(1)工期要求高。由于本项目为奥运工程,所选桥型必须满足2019年底通车条件,考虑桥址处一年有效施工期仅约7个月,倒排工期桥梁施工总工期不能超过18个月。(2)施工条件苛刻。大桥位于沟谷地形区,大型施工设备、桥梁构件运输困难,成本高,施工条件复杂,桥型选择必须考虑施工技术成熟、可实施
5、性、便捷性,以“化整为零”思路设计桥梁结构。02桥梁方案构思设计原则及控制因素(3)桥梁景观要求高。砖楼特大桥位于螺旋隧道金家庄特长隧道出口位置,桥面距离隧道口高差约100m,进入隧道视眼前方即是大桥。所选桥型需与周围环境融和,力求成为奥运工程的一个地标性桥梁结构。(4)采用钢结构桥梁。河北省交通运输厅党组会议做出了“在河北省公路建设领域积极推进钢桥和钢材广泛应用”的战略决策。要求延崇高速公路项目推行几座有特色的景观钢桥,本桥是其中之一。2022/6/202桥梁方案构思基于上述设计原则,结合本桥建桥条件,可供选择的桥梁形式有梁式桥、拱桥、钢桁梁桥等桥梁结构形式。主跨跨径在120m以上梁式桥一般
6、选择连续刚构结构,可采用钢-混组合结构如波形钢腹板主梁等。采用挂篮悬臂浇筑施工,由于顶底板需采用现浇混凝土施工,工期相对较长,桥梁景观相对平淡,但此方案仍是一可行方案。适应复杂施工条件能力好工期及景观一般 波形钢腹板连续刚构02桥梁方案构思 考虑到桥址处施工条件受限,拟采用方便运输吊装的钢桁拱方案。中承式拱桥方案由于采用杆件散拼方式施工,能较好满足桥址处施工条件。同时钢桁拱桥的拱肋由不同形式的钢制杆件组合而成,体现了一种均衡稳定的整体美,钢拱造型在沟谷中能体现大气雄厚的建筑气势,景观异质性较为突出,从而能使桥梁成为区域的景观标志。但拱桥方案施工工期相对钢桁梁方案要长。工期较长桥梁景观好施工难度
7、较大受力性能较好 中承式钢桁拱桥方案2022/6/202桥梁方案构思 杆件散拼,构件轻便,对周边环境影响较小,能较好满足桥址处施工条件。需搭设缆索扣挂塔架施工,杆件对称散拼,工艺较复杂,工期较长。桁架拱宛如一道彩虹横跨山间,景观效果好。工期较长桥梁景观好施工难度较大受力性能较好 上承式钢管桁架拱桥方案02桥梁方案构思 杆件散拼,构件轻便,对周边环境影响较小,能较好满足桥址处施工条件。需搭设临时缆扣索塔架施工,杆件对称散拼,工艺较复杂,工期较长。桁架拱宛如一道彩虹横跨山间,景观效果好。工期较长桥梁景观好施工难度较大受力性能较好 上承式钢管桁架拱桥方案2022/6/202桥梁方案构思 上承式钢管桁
8、架拱桥方案拱上立柱增加了雪花造型,提高桥梁的美感和识别度,并与冬奥主题呼应。红色拱肋如山间的彩虹。02桥梁方案构思 钢桁杆件采用工厂化制造,杆件尺寸小,重量轻,方便由公路运输至桥位处施工便道,通过桥面吊机提升拼接,施工技术成熟便捷,工期短。此外,钢桁梁桥在满足受力安全可靠的前提下勾勒出不同的桥梁造型,与环境协调融合;同时桥面结构采用预制混凝土桥面板,大大降低了桥梁结构后期养护费用,提高了耐久性。因此钢桁梁桥是本桥位可靠的桥型方案之一。工期短桥梁景观较好施工难度较小受力性能较好 上承式拱形变高钢桁梁方案2022/6/202桥梁方案构思结构轻盈,通透性好,桥梁全白色涂装,与冬季雪景浑然一体,藏桥于
9、景。设计、施工技术成熟可靠,施工工期短,风险小。上承式拱形变高钢桁梁方案02桥梁方案构思结构轻盈,通透性好,桥梁全白色涂装,与冬季雪景浑然一体,藏桥于景。设计、施工技术成熟可靠,施工工期短,风险小。上承式拱形变高钢桁梁方案2022/6/202桥梁方案构思结构轻盈,通透性好,桥梁上下弦全白色涂装,腹杆采用红色涂装,既与环境融合,又给人以视觉冲击。设计、施工技术成熟可靠,施工工期短,风险小。上承式拱形变高钢桁梁方案02桥梁方案构思 主桥设计理念是“飞虹凌渡”,其跨越V形峡谷,因地制宜设计成拱形变高钢桁结合梁结构,桥梁的下弦为流畅的圆弧造型,与隧道出入口造型及沟谷地貌呼应融合。既如彩虹悬于峡谷之间,
10、又宛如翱翔在银装素裹雪山丛林之间的雄鹰之翼,体现“更高、更快、更强”的奥运精神,大桥景观设计契合了大桥建设主题,并融合了桥址处自然景观。上承式拱形变高钢桁梁方案2022/6/202桥梁方案构思桥型方案方案一波形钢腹板连续刚构方案方案二上承式钢管桁架拱方案+钢混工字钢方案三上承式拱形变高钢桁梁方案效果图桥跨布置65+120+65=250m150m65+120+65=250m景观效果结构简洁,造价经济。景观效果一般。桁架拱宛如一道彩虹横跨山间,景观效果好。结构轻盈,通透性好,现代感强,景观效果好。周边环境的影响需采用高墩混凝土泵送设备,对周边环境影响较大。杆件散拼,构件轻便,对周边环境影响较小。杆
11、件散拼,构件轻便,对周边环境影响较小。施工难易挂篮对称悬浇,工艺成熟需搭设临时塔架施工,杆件对称散拼,工艺较复杂。桥面吊机悬臂拼装,工艺较成熟。工期15个月13个月13个月养护用钢量少,养护成本较低。用钢量较大,桁架杆件需定期养护。用钢量较大,桁架杆件需定期养护。造价7500万9100万9500万综合各方面考虑,上承式拱形变高钢桁梁桥方案具有桥型能较好的适应桥址处施工条件及工期要求,桥梁景观效果好、结构抗震性能优,设计、施工技术成熟可靠等优点,是本桥位合适的可行方案,经专家及建设单位评审确定作为本桥推荐桥型。推荐方案03桥梁结构设计及关键技术2022/6/203桥梁结构设计与关键技术桥梁全长1
12、068.5m,按照左右分幅布置。左右幅均分为7联。桥梁跨径布置为(240+(65+120+65)+440+340+440+(65+120+65)+40)m,其中主桥位于第3、7联中,采用上承式拱形变高钢桁结合连续梁结构。第3联主桥平面位于圆曲线上(圆曲线右幅半径为860m,左幅半径为890m),第7联主桥平面位于缓和曲线及直线上。全线位于2.43%单向纵坡上。总体布置03桥梁结构设计与关键技术上部结构单幅桥宽13m,两片主桁间距9m。下部结构桥台采用柱式台,桥墩采用哑铃型实心板墩,最大墩高约70米,钻孔灌注桩基础。总体布置2022/6/203桥梁结构设计与关键技术25号墩顶层覆盖少量粉土层,持
13、力层为中分化花岗片麻岩,持力层较厚,粉土与花岗片麻岩之间为碎石层,此层在24号墩较薄,在5号墩位处较厚。25号墩 桥 址 工 程 地 质 断 面 图 工程地质03桥梁结构设计与关键技术1619号墩桥址工程地质断面图 工程地质1619号墩主要由顶层覆盖碎石层和持力层为中分化花岗片麻岩两层地质,花岗片麻岩持力层较厚。2022/6/203桥梁结构设计与关键技术边墩和中墩均采用相同的哑铃形结构。中间连接板纵向不放坡;两侧墩柱纵桥向按1:60进行放坡。横向不放坡,12m等宽。墩柱顶纵桥向尺寸3.5m,墩底纵桥向尺寸按实际放坡确定。下部结构设计03桥梁结构设计与关键技术中间墩基础采用8根直径2.2m钻孔灌
14、注桩,梅花形布置,承台平面尺寸16.8m(横桥向)9.6m(纵桥向)4.5m(厚度);边墩基础采用8根直径1.5m钻孔灌注桩,承台平面尺寸13.5m(横桥向)7m(纵桥向)3.5m(厚度),梅花形布置。2022/6/203桥梁结构设计与关键技术 桥墩桩基础采用钻孔端承桩。保证桩基嵌岩计算起点距岩石坡面水平距离不小于3d(d为桩径),持力层为中风化二长花岗岩(以嵌入承载力基本容许值fa0=12002000kPa的中风化花岗片麻岩为起算点),且入岩深度不小于3d(d为桩径),最小桩长不小于14m。03桥梁结构设计与关键技术 上部结构设计单幅桥梁设两片主桁,主桁采用三角形桁架形式,主桁中心间距9.0
15、m,主墩处桁高18.0m,边墩处及跨中桁高6.0m,节间长9.014.975m,最重单件吊重25.1t(A5-A6)。2022/6/203桥梁结构设计与关键技术 上部结构设计全桥共4联,每联腹杆96根,弦杆96根。通过中墩顶节点和中跨跨中节点弯折实现以直代曲。03桥梁结构设计与关键技术主桁为焊接整体节点构造,工地在节点外用高强度螺栓拼接。通过弯折节点适应曲线布置。上、下弦杆为箱形截面,腹杆采用箱形和H形两种截面形式,横梁根据超高值设横坡,横梁采用箱形和工形两种截面形式。杆件最大板厚44mm,节点板最大厚度50mm。2022/6/203桥梁结构设计与关键技术杆件间连接方式:上弦杆采用顶板焊接、腹
16、板及底板采用高栓连接;下弦杆采用四面高栓连接。腹杆与弦杆节点采用插入连接;横梁与弦杆采用焊接。上弦杆下弦杆横梁腹杆03桥梁结构设计与关键技术空间桥门架在桁架端斜杆平面内设置板式桥门架,由于单幅桥梁两片主桁的端斜杆角度不同,所以每个桥门架都分为两个部分,分别适应两侧斜杆的倾斜角度,如下图所示。联结系墩顶横断面设横向联结系,与上、下弦节点横梁一同构成框架结构。2022/6/203桥梁结构设计与关键技术 钢桁梁结构的起拱,采用上弦节间长度不变,在下弦节间设置伸缩值的方法实现。预拱度如果下弦节间长度伸缩实现,与常规调整上弦杆件长度不同,拱度曲线仍为下弦节点曲线。厂设预拱度为恒载+1/2活载产生的挠度值
17、反向设置。预拱度03桥梁结构设计与关键技术钢桁梁结构特点球型钢支座与钢梁采用螺栓连接,方便更换。砖楼大桥支座倒扣安装,采用M30高强度螺栓与主梁相连。主梁支承垫板底面和与之相连的支座座板面均按摩擦面进行涂装处理。M30高强度螺栓摩擦面 支座2022/6/203桥梁结构设计与关键技术 桥面由横梁及混凝土桥面板组成。横梁根据超高值设横坡,端横梁采用箱形截面,其余横梁采用工形截面。上弦杆及上弦横梁顶面布置剪力钉,通过现浇湿接缝将预制混凝土桥面板与钢桁梁结合形成组合结构受力。预制桥面板采用C50混凝土。桥面板支承在横梁与上弦杆上,为纵向单向板。桥面板横桥向全宽为8.14m,平均板厚约为0.35m。混凝
18、土桥面板设计03桥梁结构设计与关键技术桥面板根据上弦杆和横梁的位置进行纵向分块。中支点区域由于受力需要,纵向受力主筋进行加强,此区域桥面板类型亦进行区别。混凝土桥面板设计2022/6/203桥梁结构设计与关键技术 桥面板纵向主筋一般区域采用直径25mm钢筋,中支点加密区域采用直径28mm钢筋,桥面板横向主筋采用直径20mm钢筋。剪力钉布置在钢梁弦杆及横梁上。在钢梁湿接缝四周粘贴可压缩的防腐橡胶条,然后吊装和安放混凝土桥面板,在混凝土桥面板自重作用下,橡胶条完全压密封闭。考虑到横坡以及结合段钢梁板厚的变化,橡胶垫块的厚度也随之变化。混凝土桥面板设计03桥梁结构设计与关键技术钢结构涂装满足公路桥梁
19、钢结构防腐涂装技术条件(JT/T 722-2008)的要求,按照长效型设计,涂层设计使用寿命25年。部位涂装用料道数厚度板件表面处理表面喷砂处理Sa2.5级、Rz5080m无机硅酸锌车间底漆(工厂)1道2025m构件外表面(除与混凝土桥面板结合面)、杆件未密封的内表面、高强螺栓连接部位外露面表面喷砂处理Sa2.5级、Rz5080m环氧富锌防锈底漆1道60m环氧云铁中间漆2道120m丙烯酸聚硅氧烷面漆2道100m杆件密封的内表面表面喷砂处理Sa2.5级、Rz5080m环氧富锌防锈底漆1道50m环氧(厚浆)漆(浅色)1道200m钢梁与混凝土桥面板结合面表面喷砂处理(焊接剪力钉前)Sa2.5级、Rz
20、5080m环氧富锌防锈底漆(工厂)1道40m环氧沥青涂料(工地)1道100m高强螺栓连接摩擦面表面喷砂处理Sa3.0级、Rz60100m电弧喷铝层18040m注:工地焊接剪力钉后须按涂装体系补作涂装。注:工地焊接剪力钉后须按涂装体系补作涂装。2022/6/203桥梁结构设计与关键技术运营期主要检修维养工作是对钢结构油漆涂装和拼接高强螺栓的检查维护。本桥在上弦设置上弦检查小车,能对上层桥面区域内杆件、横梁及腹杆油漆及拼接部位可达、可检、可修;下弦设置检修走道,能从桥面爬梯到达走道,对下弦杆进行检修。维养通道设计03桥梁结构设计与关键技术主梁主要施工阶段如下:下部结构施工;对称悬臂拼装钢桁梁杆件;
21、边跨合龙;中跨合龙;架设混凝土桥面板,浇筑湿接缝混凝土。静力计算结果2022/6/203桥梁结构设计与关键技术施工阶段最大双悬臂极限大风工况、成桥阶段、运营阶段主桁最大应力约为190MPa,强度均满足规范要求。MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS组合(最大值)8.17376e+0047.50805e+0046.84234e+0046.17663e+0045.51092e+0044.84520e+0044.17949e+0043.51378e+0042.84807e+0042.18236e+0041.51665e+0048.50934e+003PostCSCB
22、:恒载MAX:3267MIN:3080文件:20170805 最大单位:kN/m2日期:09/07/2017表示-方向X:0.000Y:-1.000Z:0.000MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS轴力1.25887e+0051.00180e+0057.44721e+0044.87645e+0042.30569e+0040.00000e+000-2.83583e+004-5.40659e+004-7.97735e+004-1.05481e+005-1.31189e+005-1.56896e+005PostCSCBall:基本组合MAX:4200MIN:305
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