官厅湖特大桥报告.docx
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官厅湖特大桥报告.docx
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官厅湖特大桥报告
北京—张家口高速公路官厅湖特大桥
设计复核及施工图审查报告
(铁道部大桥工程局勘测设计院方案)
同济大学桥梁工程系
2000年5月
北京—张家口高速公路官厅湖特大桥
设计复核及施工图审查报告
本报告是对铁道部大桥工程局勘察设计院2000年3月提交的《北京—张家口高速公路官厅湖特大桥施工图设计文件》的计算复核和图纸审查。
结构计算、复核:
图纸审查、审定:
同济大学桥梁工程系
2000年5月
一、工程概况……………………………………………………………………………………1
二、计算复核依据………………………………………………………………………………1
三、计算复核内容………………………………………………………………………………2
四、计算复核结果………………………………………………………………………………4
1.桥梁上部结构……………………………………………………………………………4
1.1施工阶段结构受力分析……………………………………………………………1
1.2承载能力极限状态…………………………………………………………………1
1.3使用阶段结构受力状态……………………………………………………………1
1.4结构局部受力状态…………………………………………………………………1
1.5上部结构计算结果比较……………………………………………………………1
2.桥梁下部结构……………………………………………………………………………11
2.1桩基计算………………………………………………………………………………11
2.1.1单桩容许承载力计算…………………………………………………………11
2.1.2桥墩桩基空间静力分析………………………………………………………11
2.1.3钻孔桩转身强度验算…………………………………………………………11
2.2桥墩计算………………………………………………………………………………11
2.2.1引桥桥墩计算…………………………………………………………………11
2.2.2过渡墩计算………………………………………………………………………11
2.2.3主桥桥墩计算……………………………………………………………………11
2.3承台计算………………………………………………………………………………11
2.3.1桩顶局部承压计算………………………………………………………………11
2.3.2桩对承台的冲剪计算……………………………………………………………11
2.3.3承台抗弯和抗剪验算……………………………………………………………11
3.结构抗震分析……………………………………………………………………………11
五、图纸审查结果………………………………………………………………………………11
1.总体布置……………………………………………………………………………………11
2.主桥下部结构………………………………………………………………………………11
3.主桥上部结构………………………………………………………………………………11
4.引桥上部及附属结构………………………………………………………………………11
5.引桥下部结构………………………………………………………………………………11
六、结论与建议…………………………………………………………………………………11
一、
工程概况
北京—张家口高速公路官厅湖特大桥为(10×30)米简支梁+(65+10×110+65)米预应力混凝土连续梁+(10×30)米简支梁结构。
桥梁全长1830米,共32孔。
北岸引桥1~10孔位于缓和曲线段上,主桥和南引桥都位于直线上。
桥梁从16号墩向两边纵坡均为0.5%,竖曲线半径R=80000米,桥面横坡2%,施工图9196-04-105、106为该桥的总布置图和桥面布置图。
1.主桥
主桥上部结构预应力混凝土连续梁12孔一联,总长1230米。
横截面由独立的两个单箱单室的箱梁构成,两箱梁中心距14米,净距1米。
单箱顶宽13米,底宽6.5米,腹板为直腹板,腹板厚度50~35厘米,底板厚度120~25厘米,顶板厚度28厘米,中间支点根部梁高6.0米,是连续梁跨径的1/18.3,跨中梁高2.8米,是跨径的1/39.3。
箱梁底面按圆弧线变化。
全桥仅在支点处设有横隔板。
箱梁顶板根据桥面横坡需要做成2%的坡度。
主桥箱梁采用纵、横、竖向三向预应力,纵向束采用19φj15.24钢绞线,15—19型锚;边跨底板纵向束采用12φj15.24钢绞线,15—12型锚;顶板横向束采用3φj15.24钢绞线,BM3锚和H型锚;竖向束采用Φ3232高强精轧螺纹钢,YGM型锚。
主梁采用50号混凝土。
主梁采用悬臂浇注法施工,最大悬臂施工长度54米,分成15个节段,0号段长14米,悬臂施工段3米或4米,合拢段2米。
在悬臂施工过程中,0号节段在墩顶现浇,与墩身临时固结,然后对称向两侧悬臂施工,形成“T”,每两个“T”之间进行跨中合拢,形成稳定的“П”,两个边孔在膺架上现浇约10米梁段,然后和“T”合拢,待全桥所有的悬臂节段施工完毕后,再由跨中向两岸逐个“П”之间进行合拢,完成主桥梁部施工。
悬臂施工节段重1100kN,施工用挂篮及其模板重量不超过900kN。
主桥16号墩设纵向固定支承一个、15和17号墩为半固定支承,其它均为纵向活动支承,各桥墩均设横向抗震挡块;主桥10号、22号边墩采用GPZ—4000盆式橡胶支座,其它各墩采用GPZ—22500抗震型盆式支座,其中部分盆式支座采用大位移量支座。
主桥下部基础选用分离式的钻孔桩基础,钻孔摩擦桩直径1.5米,除10、22号边墩6根钻孔桩长为33米和36米外,主墩每个桥墩采用9根,桩长47~69.5米,深水区12~20号主墩为变截面钻孔桩,上部桩径为1.8米,下部桩径为1.5米。
最小的桩中心距为4米。
钻孔桩的施工除两个边墩外,采用钢护筒作为平台支撑及钻孔护壁,导管法浇注钻孔桩水下混凝土。
主墩承台平面尺寸11×11米,厚3.5米,除11号墩承台顶面标高为474.00米外,其余各墩标高472.00米,低于正常结冰水位。
边墩承台平面尺寸11×7.5米,厚3.0米,10号墩和22号墩的承台顶面标高分别为474.00米和472.00米,都低于地面冰冻线。
主桥12~20号桥墩承台处河床底、水深,采用吊箱围堰施工,水下封底混凝土厚度按1.0~1.5米考虑;其余各墩水深较浅,采用钢板桩围堰施工。
桥墩墩身采用矩形截面、四角用圆弧连接的普通钢筋混凝土实体墩,主墩墩高13.43~17.18米,墩身厚度4.0米,墩顶宽6.5米,横向按1:
20的斜度放坡,墩底宽度4.782~5.175米,边墩高15.09~17.09米,墩身厚度3.6米,墩顶宽度6.5米,墩底宽度4.856~5.056米。
2.引桥
引桥上部结构采用30m跨预应力混凝土简支T梁,5孔一联,桥面连续。
单幅桥宽13米,布置5片T梁,T梁横向间距2.60米。
桥面横坡采用结构调坡,利用支承垫石调整。
30米T梁全长29.94米,支点间距离29.14米。
梁高200厘米,是简支梁跨径的1/15,腹板厚18厘米,支点处腹板加厚至54厘米,预制T梁顶板宽160厘米,顶板厚15~25厘米,每片梁之间现浇湿接头宽100厘米。
每两片T梁之间由横隔板相连,每片T梁设有7道横隔板。
T梁混凝土标号为50号,预应力钢筋采用6φj15.24钢绞线,预应力管道采用φ65波纹管,锚具采用15-6型锚。
T梁采用龙门吊安装,设计未考虑其它施工荷载。
T梁采用板式橡胶支座,规格为GJZ250×450×57毫米,桥面连续每联两端采用四氟板式支座,规格为GJZF4250×450×59毫米。
引桥下部结构采用双柱式刚架墩,墩高11.62~15.00米。
墩柱采用圆形柱,直径1.4米,每柱下由一根直径1.5米钻孔桩支承,桩长约40米,两立柱底部用系梁相连,刚架墩盖梁长11.6米,宽1.8米,高1.6米。
帽梁顶设有支承垫石及抗震挡块。
引桥桥台采用两个分离式的肋板桥台,桥台最大高度13.71米,单个桥台基础采用4根φ1.5米钻孔桩,桩长约40米。
桥台肋板顶宽1.5米,顺桥向按1:
3放坡至承台,底宽分别为3.91~4.78米。
肋板厚1.2米。
引桥承台平面形状为井字形,0号桥台外轮廓尺寸7.5×8.4米,中空3×4米,32号桥台外轮廓尺寸8.5×8.4米,中空4×4米,承台厚2米,承台底面标高在设计地面线以下1米。
3.桥面
桥面采用沥青混凝土桥面,主桥采用8厘米沥青混凝土铺装,引桥采用6厘米混凝土现浇层,再加8厘米沥青混凝土铺装,共计厚度14厘米。
桥两侧均设混凝土防撞护栏,防撞护栏宽度0.5米,高0.68米,中间分隔带设防眩装置,外侧防撞墙顶面设2.1米高防抛网。
桥面排水不直接排入水库,通过桥面泄水孔汇入纵向排水管,纵向排水管通到桥台附近接入地面排水系统,经处理后排入水库。
二、计算复核依据
1.河北华能京张高速公路有限责任公司与同济大学桥梁工程系签订的官厅水库特大桥施工图设计审查合同
2.由河北华能京张高速公路有限责任公司提供的基本资料
2.1《北京—张家口高速公路官厅湖特大桥施工图设计文件》
铁道部大桥工程局勘测设计院2000年3月
2.2《京张高速公路官厅湖特大桥详勘工程地质资料》
铁道部大桥工程局勘测设计院1999年5月
2.3《京张高速公路河北省境内段(78Km)地震安全性评价报告》
河北省工程地震勘察研究院
3.主要规范标准
3.1《公路工程技术标准》(JTJ001-97)
3.2《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89)
3.3《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)
3.4《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-85)
3.5《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)
3.6《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》(JTJ074-94)
4.参考规范标准
4.1《铁路桥涵设计规范》(TBJ2-96)
4.2《公路桥涵设计规范》中华人民共和国交通部1974年
4.3《公路桥涵施工技术规范》(TJT041-89)
4.4《市政工程设计文件编制深度规定》上海市工程建设规范(DGJ08-76-1999)
5.设计技术标准
5.1桥面宽度:
双向四车道,全宽27米,中间设1米中央分隔带,两侧设0.5米宽防撞墙;
5.2设计荷载:
汽车—超20级,挂车—120级;
5.3设计水位:
按300年一遇水位483.42米(黄海);
5.4风力:
基本风压按700Pa;
5.5冰压力:
计算冰厚0.61米,冰的极限抗压强度1500kPa;
5.6地震烈度:
基本烈度Ⅷ,按Ⅷ度设防;
5.7桥梁坡度:
纵坡0.5,横坡2%;
5.8航道:
不考虑航道,根据北京市水利局的要求,梁底高程不得低于484.82米(黄海)。
6.计算复核基本数据
6.1材料
混凝土:
主桥箱梁:
50号混凝土
主桥桥墩:
30号混凝土(墩顶部分40号混凝土)
主桥承台:
25号混凝土
主桥钻孔桩:
30号水下混凝土
预应力钢材:
纵向预应力钢束:
19φj15.24、12φj15.24,Ryb=1860MPa
横向预应力钢束:
3φj15.24,Ryb=1860MPa
竖向预应力钢筋:
φ32高强度精轧螺纹钢,Ryb=750MPa
6.2荷载
6.2.1上部结构
恒载:
箱梁结构自重,混凝土容重取26kN/m3
桥面铺装,8cm沥青混凝土铺装及防撞墙q=35kN/m
活载:
汽车—超20级,按单幅桥三车道,考虑车道折减系数0.78,箱梁偏载系数1.05后得汽车车列系数为2.457
挂车-120级偏载系数1.05
附加荷载:
纵向计算时箱梁顶底板局部温差±5℃;支座沉降考虑最不利情况下相邻支座不均匀沉降为20mm;横向计算箱梁顶板内外温差±10℃,沿板厚按三角形分布,寒流侵袭时箱梁内外温差10℃,沿板厚按三角形分布。
6.2.2下部结构
上部结构通过支座传到下部结构上的恒载、活载反力。
下部结构自重,混凝土容重取25kN/m3
支座摩阻力计算时盆式橡胶支座采用摩擦系数为0.05
汽车制动力取二车道计算
冰压力取冰层厚度0.61m,结冰水位479.00m,冰的抗压极限强度1500kPa。
6.3其它
按照施工图纸9196-04-389~391的悬臂浇筑施工顺序,进行施工过程、体系转换和合拢成桥计算,得到结构永久荷载效应,施工计算时挂篮重量取900kN。
上部结构预应力混凝土连续梁桥计算中按施工过程计算了预应力损失、混凝土收缩、徐变等影响。
三、计算复核内容
根据官厅湖大桥设计复核和施工图审查合同,计算复核主要是对官厅湖特大桥主桥65+10×110+65米12跨预应力混凝土变截面连续梁进行复核,包括以下四项内容:
1.桥梁上部结构
1.1施工阶段结构计算复核
按照施工过程,考虑分阶段挂篮悬臂浇筑、体系转换等工况对施工全过程的结构受力、截面应力进行计算复核。
1.2运营使用阶段结构受力复核
根据设计荷载、温度、支座沉降等附加荷载进行正常使用阶段计算复核和截面极限承载能力计算。
1.3结构局部分析、计算
对箱梁横向受力、桥面板局部受力、温差影响进行复核计算。
2.桥梁下部结构
2.1桩基计算
包括单桩承载力计算、桩基受力验算,计算桩的强度。
2.2承台和墩身强度计算复核。
3.结构抗震分析
采用《地震安全性评价报告》中相关资料进行结构抗震初步分析。
4.施工图纸审查
官厅湖大桥施工图纸审查包括了以下六个部分,共157张图纸,这些图纸是:
施工图说明书
总体布置图(图号9196-04-101~9196-04-110)
主桥下部结构图(图号9196-04-201~9196-04-220)
预应力混凝土连续梁上部结构图(图号9196-04-301~9196-04-391)
引桥上部及附属结构图(图号9196-04-401~9196-04-413)
引桥下部结构图(图号9196-04-451~9196-04-473)
施工图纸审查根据上海市市政工程设计文件编制深度的规定,对施工图设计文件做相当于审核深度的设计质量把关,按照施工图设计阶段规定的深度要求对设计文件的完整性、采用设计依据和规范标准的合理性、图纸编排和图面质量给出总的评价,并对以上五个部分的图纸结合施工图说明书提出具体的审查意见和建议。
四、计算复核结果
1.桥梁上部结构
主梁采用悬臂浇筑法施工,按施工图9196-04-384~391的连续梁施工步骤是:
各中墩墩顶浇筑0号块,然后对称向两侧悬臂施工,形成“T”,每两个“T”之间进行合拢,形成稳定的“П”、边孔的“T”与桥台处现浇的箱梁段合拢形成单悬臂,再由跨中向两岸逐个“П”之间进行合拢。
施工阶段计算按照设计图纸提供的施工步骤,对各施工阶段进行全过程模拟,每个“T”又按照主梁一般构造图(图9196-04-308,309),分为15个悬臂施工阶段,每个悬臂施工阶段包括安装挂篮、浇筑梁段、张拉纵向预应力、移动挂篮、张拉竖向预应力,全桥共分为59个施工阶段,主桥结构计算模型见图1.1,12跨变截面连续梁共分371个节点,370个单元,边跨65米分20个单元,中跨按主梁一般构造图,0号块划分6个单元,13个梁段13个单元,加上合拢段,110米划分为33个单元。
计算采用kN-m制。
箱梁横向受力分析的目的是验算桥面板受力,箱梁横向取单位桥长简化成刚性支承的框架结构。
取跨中断面为计算依据,支点设在两腹板下,结构所受荷载为箱梁自重、横向预应力,竖向预应力,桥面铺装、防撞护栏和活载,结构局部受力计算模型见图1.2所示,桥面板与腹板刚臂连接,共分为46个单元。
1.1施工阶段结构受力状态
施工阶段应力包络见图1.1—1。
因结构形式和施工方法对称,图中仅给出一半结构10~16号墩的包络图(以下同)。
施工阶段箱梁上缘混凝土最大压应力10.8MPa,上缘最大拉应力为–0.7MPa,发生在14~15、17~18号墩之间合拢段施工阶段;下缘混凝土最大压应力19.9MPa,下缘混凝土最大拉应力-0.8MPa,发生在15~16号墩之间合拢段施工阶段。
最大主压应力19.9MPa。
图1.1—2是完成桥面铺装后施工阶段的内力、应力图,箱梁下缘最大压应力14.0MPa,上缘最大压应力7.5MPa。
图1.1—3是张拉第二批底板预应力合拢钢束后的内力、应力图,箱梁下缘最大压应力18.1MPa,上缘最大压应力9.1MPa。
成桥阶段应力见图1.1—4,断面上、下缘均为压应力,最大压应力为19.8MPa,发生在第15孔跨中下缘,在边墩支座处有-0.9MPa的局部主拉应力,其余均为主压应力,最大19.9MPa,在第15跨跨中。
1.2承载能力极限状态
按照承载能力极限状态进行了内力组合:
荷载组合Ⅰ:
恒载+汽超-20,组合包络内力见图1.1—5
荷载组合Ⅲ:
恒载+挂-120,组合包络内力见图1.1—6
按极限状态计算截面极限承载弯矩,极限状态承载能力验算见表1.1—1
截面极限承载能力验算(单位:
kN-m)表1.1—1
截面位置
组合Ⅰ弯矩
组合Ⅲ弯矩
截面极限承载弯矩
边跨跨中
62821
45105
66800
次边跨跨中
132716
106574
161000
中跨跨中
125043
93256
176000
支点最大
-543452
-451286
-619000
验算结果表明,两种组合状态,截面受力安全。
1.3使用阶段结构受力状态
使用阶段包络应力见图1.1—7~图1.1—9,三种荷载组合是:
荷载组合Ⅰ:
恒载+汽超-20,包络应力见图1.1—7
荷载组合Ⅱ:
恒载+挂-120+支座沉陷+温度,包络应力见图1.1—8
荷载组合Ⅲ:
恒载+挂-120,包络应力见图1.1—9
使用阶段最大截面应力验算结果,见表1.1—2
截面应力验算(单位:
MPa)表1.1-2
荷载组合
正应力
主应力
容许应力
σa
σl
σza
σzl
[σa]
[σza]
[σzl]
组合Ⅰ
24.1
-1.9
24.3
-1.9
17.5
21.0
-2.4
组合Ⅱ
24.8
-2.1
24.8
-2.1
21.0
22.75
-2.7
组合Ⅲ
21.3
-0.9
21.3
-1.2
21.0
22.75
-2.7
表中数值表明,使用阶段荷载组合,箱梁混凝土最大正应力及主应力都超过容许应力范围,并产生拉应力。
1.4结构局部受力状态
跨中梁段局部应力考虑了三种组合,这三种组合与1.3节相同,计算得到了截面的应力包络图,见图1.2—1~图1.2—3。
这三种组合在箱梁顶板内产生的应力是:
组合Ⅰ:
箱梁顶板横向正应力-0.7MPa~4.1MPa。
组合Ⅱ:
箱梁顶板横向正应力-3.9MPa~7.6MPa。
组合Ⅲ:
箱梁顶板横向正应力-0.4MPa~3.8MPa。
结构局部受力计算中组合Ⅱ考虑桥面板箱内外温差±10°C,产生较大的拉应力,其他组合情况下的应力都在容许范围内。
1.5上部结构计算结果分析
施工阶段主梁的上下缘应力值在-0.7MPa至19.9MPa,发生在14、15号两个桥墩上的“T”合拢的施工阶段,其位置就在该孔的中间,箱梁截面上下缘的应力在规范容许的应力范围内(50号混凝土施工阶段压应力σha≤0.75Rab’,取张拉时混凝土达85%强度,则σha=22.3MPa,拉应力σhl≤0.70Rlb’=1.47MPa)。
应该说明的是,施工图说明书中未对合拢钢束的张拉顺序加以说明,施工阶段计算时考虑分两次张拉底板的预应力合拢束,有一半的底面预应力合拢束是在全桥合拢后再张拉,如果一次全部张拉完毕,则主梁的上下缘应力值达到-2.8MPa和30.2MPa,超出了规范规定的容许应力;
使用阶段的应力验算结果表明,组合Ⅰ、Ⅱ和组合Ⅲ的正应力都超过了规范规定的容许应力,而且有拉应力出现(表1.1—2),从截面应力状态分析是底板的合拢束配置多了,从图1.1—2和图1.1—3结果对比,可见第二批张拉底板合拢束使得截面下缘增加了4.1MPa的压应力,图1.1—7的正应力包络图也可看出跨中的压应力储备在9MPa左右,说明箱梁合拢束的数量和布置应该通过计算进一步优化,使得各个组合下的正应力都在规定的容许应力范围内,而且不出现拉应力。
应当说明,以上在计算预应力损失时采用的钢筋与管道壁的摩擦系数μ和每米管道局部偏差对摩擦的影响系数к(μ=0.001,к=0.23)都会对计算结果有影响,这些系数的取值可能与设计单位不一致,但即使取μ=0.003,к=0.35计算,结果对截面应力影响也不最大;对箱梁截面应力状态影响最大的是跨中合拢束的数量和布置。
经计算结构极限承载内力都超过了不同荷载组合状态下的设计内力。
主梁箱型断面的横向计算得到在组合Ⅱ状态下,桥面板的上缘有3.9MPa的拉应力出现,发生在桥面板与腹板相交的加腋处,这主要是箱梁顶板内外温差±10℃、且沿板厚按三角形分布产生的温度应力,当然箱梁顶板上下温差取多大,沿板高的温度梯度取何种模式,在现行规范中都未涉及,取10℃温差是否偏大,因为规范中对T形截面连续梁由日照温度引起的内力的计算规定为:
“在缺乏实测资料时,可假定温差+5℃(桥面板上升5℃),并在桥面板内均匀分布”。
然而温差产生的3.9MPa拉应力会产生温度裂缝,需要在普通钢筋配置上予以重视,并且结合后面进行的施工图审查,提出了增加箱梁通风孔和加大通风孔直径,对减少箱梁内外温差,从而降低桥面板的温度应力是很必要的。
2.桥梁下部结构
结构的复核计算包括桩基、桥墩承台的计算复核。
2.1桩基计算
桩基计算包括单桩容许承载力计算、桥墩基础群桩受力分析及桩的强度验算。
2.1.1单桩容许承载力计算
根据《京张高速公路官厅湖特大桥详勘工程地质资料》提供的工程地质纵断面及各土层物理力学性能,按《公路桥涵地基与基础设计规范》第4.3.2条,计算了官厅湖大桥主桥和引桥25个墩台基础钻孔灌注桩的单桩容许承载力。
官厅湖大桥32跨,0号台~10号墩为北引桥,10号墩~22号墩为主桥,22号墩~32号台为南引桥,各号墩台基础钻孔灌注桩直径均为1.5米,墩台基桩情况如表2.1—1所示。
墩台基桩情况表表2.1—1
墩台号
0
2
4
6
8
9
10
11
12
13
14
15
16
承台底标高(米)
479.00
476.20
47520
475.20
474.20
474.20
471.00
470.50
468.50
468.50
468.50
468.50
468.50
桩尖标高(米)
439.00
439.20
438.20
438.20
437.20
437.20
438.00
423.50
415.00
403.00
403
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