印度比哈尔邦跨恒河主桥方案研究

2022-12-02

1概述

1.1工程概况

工程项目位于比哈尔邦首府巴特纳东郊, 跨恒河, 线路全长约22.76 km, 其中新建部分长19.7km, 既有公路拓宽部分长3.06km, 新建部分包含9.76 km的主桥-矮塔斜拉桥。

工程起点位于既有NH30国道位置, 向东北依次跨既有铁路、在建道路 (NH31) 、恒河南汊、河心洲、恒河北汊、MANHAR路 (SH13) 、GHAGARA河, 在CHAK SIKANDER车站附近跨既有线, 再次跨越GHAGARA河后接既有NH-103。NH103与线路交点向东3.06公里由2车道拓宽为6车道。

1.2主要设计技术标准

道路等级:一级公路。

桥宽:桥面宽32.4m。

计算行车速度:60km/h。

汽车荷载:1.5倍公路Ⅰ级, 与印度规范荷载等效。

通航标准:内河航道6级。

设计洪水频率:1/100。

结构抗震烈度:八度。

1.3桥式方案构思

对于主跨125m的公路桥, 一般采用连续梁、连续刚构、矮塔斜拉桥及其他桥式方案。本桥位于印度恒河, 对桥式方案景观要求高, 结合景观要求及结构受力等因素, 主桥采用 (62.5+77×125+62.5) m矮塔斜拉桥, 本文主要针对等高梁矮塔斜拉桥及变高梁矮塔斜拉桥两种桥式方案进行比选。

2刚性铰构造及布置

对于几十孔的矮塔斜拉桥来说, 上部结构全部连续是无法承受温度对结构的作用, 必须释放温度变形产生的结构内力, 而同时又要保证桥面有较好的连续性和平顺性, 进而也提高结构的使用耐久性, 因此设计采用刚性铰构造以适应结构受力及使用要求, 即在刚性铰处可以传递剪力和弯矩, 以减小该处挠度和转角变形, 同时释放纵向约束, 通过纵向可伸缩滑动装置消除纵向水平力的累积, 这样下塔柱 (即桥墩) 受到的纵向水平力大幅度减小, 对结构受力非常有利。

此处所称的刚性铰是指可以抵抗弯矩和剪力, 但不约束主梁纵向伸缩的装置, 它是一端锚固于梁体, 另一端伸入所连接的另一部分梁体, 并受到这部分梁体滑动握固的小钢箱梁, 这样梁体两部分之间就实现了连续而又释放温度力。

根据技术经济综合比较, 刚性铰按照两塔一组进行设置, 即以两塔一组为“标准”斜拉桥, 组与组之间设一处刚性铰。

3等高梁矮塔斜拉桥方案

3.1桥式布置

(62.5+77×125+62.5) m等高梁矮塔斜拉桥, 桥梁全长9750m。除边跨局部位于竖曲线和平曲线上外, 其余均为平坡、直线。

立面布置见图1。

3.2结构构造

3.2.1主梁构造

主梁共采用单箱三室结构, 箱梁桥面横向宽度32.4m, 梁高为3.5m, 顶面设双向2.5%横向排水坡。边腹板厚度由跨中55cm变化至墩顶处60cm, 中腹板厚度由40cm变化至45cm, 顶板厚28cm, 底板厚度由30cm变化至60cm。

拉索锚固处设置厚0.4m的横梁, 墩顶设置厚6.0m的横梁。横梁设有孔洞, 供检查人员通过。

2.2.2拉索及锚固体系

拉索为单索面布置, 一个桥塔共9对斜拉索。采用强度等级为1860MPa、弹性模量为Ep=195Gpa、公称直径为15.2mm的高强度低松驰钢 (GB/T5224-2003) ;C1~C3斜拉索由55根钢绞线组成, C4~C9斜拉索由43根钢绞线组成, 在桥塔处采用索鞍通过, 斜拉索均锚固在两侧主梁上。正常使用时斜拉索在塔顶处于锁定状态, 可实现斜拉索单根钢绞线更换。

索鞍采用分丝管索鞍结构, 索鞍由多根平行导向钢管组焊而成, 每根钢绞线穿过对应的导向钢管。

2.2.3索塔

桥塔采用矩形桥塔, 塔高21.5m, 截面尺寸为顺桥向3.5m×横桥向1.5m。塔柱竖向钢筋配筋不小于1%配筋率以控制混凝土收缩。

2.2.4主要材料

现浇箱梁采用C50混凝土;桥塔采用C60混凝土, 铺装采用6.5cm厚沥青混凝土铺装, 墩柱采用C45混凝土。

钢筋直径≥12mm, 采用HRB400钢筋;钢筋直径<12mm, 采用热轧HPB300钢筋。

钢绞线采用GB/T5224-2003标准生产的低松弛高强度钢绞线。单根钢绞线直径15.20mm, 公称面积140mm2, 标准强度1860MPa, 弹性模量1.95×105MPa。

2.3主要计算结果

2.3.1计算模型及参数选取

本桥为等高箱梁, 预制节段长6.25m, 纵梁沿顺桥向每3.125m一个单元。本次计算采用Midas/Civil 2013结构分析软件, 箱梁采用顶板为平坡截面近似模拟, 纵梁、桥塔及桥墩采用梁单元, 斜拉索采用桁架单元。

本桥共77孔, 每两个桥塔设置一组刚性铰, 为消除边界条件对计算结果的影响, 本桥取6个桥塔进行建模计算, 取其中一个桥塔范围内的结果进行分析。

2.3.2计算工况及验算内容

本桥主体结构设计基准期为100年。结构安全等级为一级。按照考虑持久状况、短暂状况、偶然状况及其相应的极限状态设计。裂缝计算按部分预应力混凝土A类构件计算。结构长期挠度值控制在L/500以内。

2.3.3结果计算

(1) 持久状况组合标准值组合构件应力验算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62-2004) 7.1.5验算:满足规范要求。

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62-2004) 7.1.6验算:

满足规范要求。受拉区钢筋最大主拉应力1204MPa<1209MPa, 满足规范要求。

(2) 持久状况构件抗裂验算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62-2004) 6.3.1-1验算:短期效应组合

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62-2004) 6.3.1-2验算:

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62-2004) 第5.1.5条验算, 结构重要性系数×作用效应的组合设计最大值均小于构件承载力设计值, 满足规范要求。

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62-2004) 第5.2.9条进行抗剪截面验算, 满足规范要求。

(4) 斜拉索验算

斜拉索活载应力幅为77MPa, 小于国内矮塔斜拉桥如兰州小西湖黄河大桥的84.5MPa、吴淞江大桥的82.3MPa等的活载应力幅。且本桥采用斜拉索采用索鞍构造, 类似于体外预应力索, 根据《公路斜拉桥设计细则》 (JDG/T D65-01-2007) 规定, 部分斜拉桥的安全系数为1.67 (0.6fpk) 。

标准值组合作用下, 斜拉索最大拉应力为9 5 6 M P a<0.6fpk=1116MPa。

(5) 桥塔验算

持久状况标准值组合作用下桥塔全截面受压, 最大压应力为16.9MPa<0.5fck=19.25MPa, 满足规范要求。

(6) 活载作用下主梁挠度

(单位:mm)

数值为正表示上挠, 为负表示下挠。在活载短期效应作用下, 主梁跨中最大挠度-55mm, 并考虑荷载长期效应增长系数1.425后, 其长期挠度值为55×1.425=78.4mm, 斜拉桥主梁允许挠度为计算跨度的1/500, 即125000/500=250mm, 可知结构刚度满足规范要求。

3 变高梁矮塔斜拉桥方案

3.1桥式布置

与方案一相似, 仅是变高主梁全面代替等高主梁截面。立面布置见图11。

3.2结构构造

主梁共采用单箱三室结构, 箱梁桥面横向宽度32.4m, 中心处梁高由跨中3.5m变化至墩顶处5.5m, 顶面设双向2.5%横向排水坡。边腹板厚度45cm, 中腹板厚度35cm, 顶板厚28cm, 底板厚度由跨中30cm变化至墩顶处60cm。拉索锚固处设置厚0.4m的横梁, 墩顶设置厚6.0m的横梁。横梁设有孔洞, 供检查人员通过。

变高粱方案一个桥塔共5对斜拉索;C1~C3斜拉索由55根钢绞线组成, C4~C5斜拉索由37根钢绞线组成。

索塔及主要材料均与方案一相同。

3.3主要计算结果

根据方案一研究成果, 可以偏于安全地截取多跨之中的三个塔进行计算, 列出中塔部分计算结果。

(1) 持久状况组合标准值组合构件应力验算

持久状况下主梁最大压应力15.8MPa<0.5×fck=16.2MPa, 满足规范要求。

持久状况下主梁最大主压应力16.7MPa<0.6×fck=19.44MPa, 满足规范要求。

受拉区钢筋最大主拉应力1153MPa<1209MPa, 满足规范要求。

(2) 持久状况构件开裂验算

图中红、蓝、橙、黑分别代表上缘最大、最小应力及下缘最大、最小。

在作用 (或荷载) 短期效应组合下主梁最大拉应力0.04Mpa, 小于0.7 ftk=1.85MPa, 正截面抗裂满足规范部分预应力混凝土A类构件要求。

图中红、蓝、橙、黑分别代表上缘最大、最小应力及下缘最大、最小。

在作用 (或荷载) 长期效应组合下主梁全梁受压, 最小压应力为0.765MPa, 满足规范要求部分预应力混凝土A类构件要求。

图中红、蓝分别代表最大主压及最大主拉应力。

在作用 (或荷载) 短期效应组合下主梁最大主拉应力-2.58Mpa, 发生在与刚性铰接触区域, 但其它部分均小于0.5 ftk=1.33MPa, 斜截面抗裂满足规范部分预应力混凝土A类构件要求。对于此处局部应力集中问题需要在下一步工作中进行特殊处理。

(3) 持久状况承载力极限状态验算

由上表可以知, 在荷载基本组合下, 承载能力极限状态结构能够满足受力要求。

(4) 斜拉索验算

斜拉索活载应力幅为71MPa, 满足规范要求。

标准值组合作用下, 斜拉索最大拉应力为8 8 1 M P a<0.6fpk=1116MPa。

(5) 活载作用下主梁挠度

数值为正表示上挠, 为负表示下挠。在活载短期效应作用下, 主梁跨中最大挠度-80.3mm, 并考虑荷载长期效应增长系数1.425后, 其长期挠度值为80.3×1.425=114.4mm, 斜拉桥主梁允许挠度为计算跨度的1/500, 即125000/500=250mm, 可知结构刚度满足规范要求。

5方案比较及结论

等高梁方案与变高梁方案技术上均可行, 互相对比优缺点如下。

等高梁方案优点:

1) 等高截面适用于预制拼装, 可节省模板工程量;

2) 斜拉索提供刚度大, 跨中挠度小, 行车舒适性高;

3) 等高梁结构形式轻盈美观。

等高梁方案缺点:

斜拉索索较多, 斜拉索用量较大, 经济性稍差。

变高梁方案优点:

1) 以梁受力为主, 斜拉索用量少, 经济性好;

2) 以较高的梁高抵抗根部弯矩, 结构受力较为合理。

变高梁方案缺点:

1) 变度高梁采用预制拼装, 模板工程量有所增加;

2) 受截面高度影响, 跨中挠度较等高梁大。

综合评述:技术难度及可行性方面, 各方案均切实可行。两方案结构受力均能满足要求, 方案一较方案二外观更轻盈, 但斜拉索用量较大, 上部结构工程数量有所增加, 但上部结构造价应同时考虑施工时模板摊销费用。两方案下部结构工程量及造价基本相当。选取方案选择时应综合考虑最终的整体造价及外观因素, 故推荐等高梁方案。

摘要：印度比哈尔邦跨恒河主桥是跨越恒河的重要工程。文章介绍了印度比哈尔邦跨恒河主桥的方案构思及设计研究, 提出了两种可行的桥式方案, 即等高梁矮塔斜拉桥方案、变高梁矮塔斜拉桥方案。在满足结构受力的前提下, 以降低工程造价、力求造型美观为原则, 对两种桥式方案进行了比选分析, 最终选定等高梁矮塔斜拉桥为推荐方案。

关键词：印度比哈尔邦跨恒河主桥,桥式方案研究,等高梁,矮塔斜拉桥