瓦庄京杭运河大桥设计
2017-04-24
1 工程概况
瓦庄京杭运河大桥是江苏省徐州市徐（州）贾（汪）快速通道建设工程中的1座新建大桥，桥址位于徐州市贾汪区瓦庄村附近，桥梁与京杭运河航道中心线夹角为90°，桥梁中心桩号K13+112.00，京杭运河航道中心与主线交叉桩号K13+127.00。桥位处水面宽度约104m，两岸大堤间距150m，桥位处河道规整顺直，两岸堤顶防洪通道按6×4.5m预留。京杭运河该段为Ⅱ级航道，通航净空90×7m。其桥孔布置为: （4×30）m +（5×30）m+（60+100+60）m +（4×30）m +（4×30）m，桥梁全长738.2m,主桥上部结构采用三跨PC变截面连续箱梁，主墩采用矩形实体墩；引桥上部采用30m标准跨径的部分预应力混凝土连续箱梁。
2 主要技术指标
（1）设计荷载：公路－I级
（2）桥梁宽度： 2×(0.5m（墙式护栏）+11.5m（行车道）+0.75m（波形梁护栏）)＝2×12.75m
（3）地震动峰值加速度：0.1g
（4）设计洪水频率：1/100。
（5）京杭运河为Ⅱ级航道，通航净空（90×7.0m）。
3 结构设计与分析
3.1结构设计
主桥上部结构为60m+100m+60m三跨PC变截面连续箱梁，平面位于直线上。PC箱梁采用单箱单室箱形截面，箱梁根部梁高5.8m，高跨比为1/17.24，中跨跨中及边支点梁高2.5m，高跨比为1/40，箱梁梁高及底板厚度分别按1.8次抛物线变化。箱梁顶板厚28cm，底板厚跨中为30cm、曲线变化段终点厚80cm，箱梁腹板厚跨中段50cm，根部附近80cm，渐变段长7.4m。箱梁顶板宽12.75m，底板宽6.0m，翼缘板悬臂长为3.375m。为改善箱梁根部截面受力，降低大体积混凝土浇注因水化热产生有害裂缝，0号块采用双臂空间框架结构，箱梁除在边跨端部设厚2.0m的横隔板外，为提高中跨结构整体性，在中跨跨中设置30cm厚跨中横隔板。主桥箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系。
图1 箱梁横断面图（单位：cm）
主桥连续箱梁采用挂篮悬臂现浇法施工。各单“T”箱梁除0号块外分为13个对称悬浇梁段，箱梁纵向分段长度为（4×3.0＋4×3.4＋5×4）m。其中0号块长6.8m，在墩旁托架上现浇施工，其余箱梁两个“T”同时对称悬臂浇筑。主桥共设两个边跨合拢段和一个中跨合拢段，边中跨合拢段长度均为2m，边跨现浇段长度为8.84m。悬臂现浇梁段最大重量为126.2吨，挂篮自重按65吨考虑。
主桥桥墩采用矩形实体墩，截面尺寸为7m（横向）×3.6m（纵向），基础采用整体式承台，承台尺寸10.8m（横向）×9.8m（纵向）×3.5m，每墩采用8φ1.6 m的钻孔灌注桩，梅花形布置；过渡桥墩采用2φ2.0m的柱式墩，基础采用6φ1.5m的钻孔灌注桩。
3.2结构静力分析
主桥上部结构静力分析采用“桥梁博士v3.2”进行，并采用公路桥梁结构分析软件“GQJS9.6”进行验算，分别包括成桥状态下恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变（按3000d计）、支座强迫位移（按2.0cm计）、温度变化（整体升降温按±22℃计，梯度温度正温差按T1=14℃、T2=5.5℃并考虑桥面铺装折减）等荷载作用的计算。计算中按有关规范规定对各荷载进行不同的荷载组合，对结构的强度、刚度和应力做了验算。
表1 截面正应力单位：MPa
阶段 中跨墩支点 中跨跨中 边跨墩支点 边跨跨中
上缘 下缘 上缘 下缘 上缘 下缘 上缘 下缘
成桥阶段 7.1 8.6 5.1 10.2 3.2 5.1 5.2 6.4
长期组合 最小 6.3 8.2 5.4 8.8 2.1 4.8 4.1 4.6
短期组合 最大 12.4 11.9 13.6 12.7 6.1 6.2 13.8 9.6
最小 0.4 9.2 1.8 2.0 1.4 3.2 1.4 1.3
箱梁横向分析分别采用框架和简支板考虑固端影响两种结构模式进行计算，择其大者控制截面设计，并以此配置横向预应力钢束及箱梁顶板横向钢筋。
主桥上部结构施工阶段计算，按照梁段划分、施工顺序及工艺，对每一梁段均考虑挂蓝移动就位、浇注混凝土、张拉预应力等三个施工过程。分别对各梁段施工过程中的内力、应力、挠度进行计算和验算。主桥按先边跨合拢，后解除临时锚固，最后进行中跨合拢的顺序考虑，合拢温度控制在15℃ 左右。
对主桥施工过程中单T进行了下述几种工况的验算，并以此控制临时固结所需的预应力粗钢筋及临时支承的设计。
（1）最后一个悬臂段不同步施工，一侧施工，另一侧空载；
（2）最大悬臂时，一端承受最大风载，另一侧空载；
（3）一侧堆放材料、机具等按8.5kN/m计，悬臂端作用200 kN集中力，另一端空载；
（4）一侧施工机具等动力系数1.2，另一侧0.8；
（5）考虑箱梁自重的不均匀性，一侧悬臂自重增加4％，另一侧悬臂自重减少4％；
3.3预应力体系及钢束布置
主桥箱梁设计采用纵、横、竖三向预应力体系。
箱梁顶板横向预应力采用抗拉强度标准值fpk=1860MPa的3φs15.2钢绞线，BM 15-3扁锚,以50cm间距布设，交替单端张拉锚固，单根张拉力195.3kN。
箱梁竖向预应力采用JL32高强精轧螺纹粗钢筋，抗拉强度标准值fpk=785MPa，设计张拉力568.2KN，竖向预应力筋以50cm基本间距布设，腹板加厚梁段每侧腹板按双肢配置，其余各梁段每侧腹板均按单肢配置。
主桥箱梁纵向预应力设置顶板束和腹板下弯束，在顶板布置19φs15.2钢绞线，在腹板、底板布置17φs15.2钢绞线，OVM锚固体系，锚下张拉控制应力σcon=0.73fpk=1357.8MPa，为提高主桥结构的安全性及耐久性，纵向预应力管道均采用塑料波纹管，采用真空压浆成套技术。
主桥上部结构按全预应力构件设计，分别进行持久状况承载能力极限状态验算和正常使用极限状态验算以及无附加安全系数构件应力验算，各项结果均满足规范要求。
4、施工要点
主桥箱梁双幅桥两个单T分别采用对称悬臂浇注法施工，合拢后经体系转换成连续箱梁桥。
安装永久支座，浇注临时支座。利用墩顶及墩旁托（支）架浇注箱梁墩顶块件，用高强精轧螺纹粗钢筋（或施工单位成熟可行的方法）形成梁墩固结，并张拉梁段上预应力钢束。墩顶块件混凝土应一次浇注完成。箱梁墩顶块件体积大，预应力孔道及钢筋密集，施工中应确保预应力孔道定位准确，注意混凝土振捣密实，确保混凝土施工质量。浇注混凝土应采取减少水化热的有效措施，避免发生温度收缩裂缝。
安装施工挂蓝，从1号梁段至13号梁段采用挂蓝逐段悬臂对称、平衡浇注施工，张拉各阶段预应力钢束，各梁段混凝土应一次浇注完成，挂蓝应在钢束张拉完成及孔道压浆达到设计强度后方可向前移动。各悬臂单T完成后，相邻两悬臂端相对竖向挠度差不大于2cm。
为保证竖向预应力筋能充分发挥作用，竖向预应力筋必须进行复拉，复拉时间间隔为15～20天。竖向预应力张拉后，应对竖向预应力钢筋的永存应力做抽检。抽检数不得小于总钢筋根数的5％。
各单T浇注至最大悬臂，浇注边跨合拢段，解除临时固结，浇注中跨合拢段，完成体系转换，成为三跨连续梁。合拢段采用外刚接劲性骨架合拢，合拢段混凝土的浇注应在一天气温最低时进行。
5、本桥结构特点
5.1悬浇钢束设计
顶板悬浇钢束设计一般有三种方案：一是完全采用直束，该种方案施工时穿束方便，便于施工，腹板的主拉应力控制较多的依赖竖向预应力钢筋，而工程中竖向预应力钢筋施工质量较难保证，最近几年出现较多因竖向预应力钢筋施工质量控制不好而腹板出现裂缝的实例。二是完全采用下弯束；三是采用下弯钢束与直束相结合的方法，本桥设计中顶板悬浇钢束采用直束和下弯钢束结合的方案，即考虑施工方便又很好地控制了主拉应力，防止箱梁腹板出现的剪切斜裂缝。
5.2零号块设计
变截面连续梁零号块一般采用实体形式，零号块混凝土体积大，钢束及普通钢筋布置复杂，混凝土浇注时产生大量水化热，很容易产生有害裂缝，造成结构永久性伤害，本桥零号块采用双薄臂结构，大大降低了混凝土浇注产生的水化热，避免了零号块产生有害裂缝。
5.3真空灌浆技术
本桥纵向预应力钢束全部采用塑料波纹管，真空压浆技术；常规设计经常采用预埋金属波纹管成孔，常规压浆施工，容易造成金属波纹管孔道压浆不密实，金属管及钢束容易锈蚀，严重影响结构耐久性；真空压浆技术克服了以上缺点，而且塑料波纹管管道摩擦系数比金属管小的多，能减少预应力损失，增加有效预应力，节省预应力钢材，降低造价。
6、结语
瓦庄京杭运河大桥，主桥上部结构采用(60+100+60)m三跨PC变截面连续箱梁,三向预应力体系；以上主要介绍了该桥的结构设计特点、钢束布置、施工要点，可供广大设计者在类似桥梁设计中参考，目前该桥顺利施工中。
参考文献
［1］ JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》［S］.北京：人民交通出版社.
［2］ 公路桥涵设计手册《预应力技术及材料设备》［S］.北京：人民交通出版社.
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