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      東莞槎馬大橋主橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2022-11-24 03:58:28楊智貴
      城市道橋與防洪 2022年10期
      關(guān)鍵詞:主墩主橋有限元

      楊智貴

      (廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,廣東 廣州 510080)

      1 工程概況

      中洪路位于東莞市西北部,呈南北走向,起于東莞市中堂鎮(zhèn)進(jìn)園大道,終于洪梅鎮(zhèn)洪屋渦水道,路線全長約19.396 km。該項(xiàng)目可改善周邊區(qū)域的出行條件,平衡整個(gè)路網(wǎng)的交通量,減少路網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間,建成后將成為東莞市西北部南北向重要干道。現(xiàn)場已完成主橋基礎(chǔ)及零號塊施工,如圖1 所示。

      圖1 現(xiàn)場施工情況

      槎馬大橋跨越倒運(yùn)海水道,主橋橋塔采用風(fēng)帆造型,與東莞水鄉(xiāng)文化相呼應(yīng),將成為展現(xiàn)東莞城市魅力的創(chuàng)新名片。大橋起點(diǎn)樁號K2+146.0,終點(diǎn)樁號K2+828.5,橋梁全長682.5 m。主橋采用90 m+160 m+90 m 矮塔斜拉橋,主橋橋?qū)?3.7 m,橋面以上主塔高32.738 m,有效塔高25.95 m,塔高跨徑比1/6.17,該指標(biāo)在常規(guī)斜拉橋和經(jīng)典矮塔斜拉橋之間[2],主墩墩高13.7 m,墩高跨徑比1/11.68。主橋采用塔梁墩固結(jié)體系,為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。主橋橋型立面圖如圖2 所示,主橋效果圖如圖3 所示。

      圖2 主橋橋型立面圖(單位:m)

      圖3 主橋效果圖示意

      2 建設(shè)條件

      2.1 地形與水文

      該項(xiàng)目位置屬于珠江三角洲沖積平原邊緣地帶,位于東莞斷陷盆地中,可劃分為侵蝕堆積平原地貌單元。地面標(biāo)高一般在0.50~5.10 m 之間,總體地勢較平坦。

      該區(qū)地處東江北支流與南支流之間河網(wǎng)區(qū),地勢低平,河汊交錯(cuò),倒運(yùn)海水道受潮汐影響,具有半日潮特點(diǎn)。河水受潮汐漲落影響,潮差1~2 m。水道兩側(cè)堤壩為片石擋墻結(jié)構(gòu),整體完整,水利設(shè)施優(yōu)良。

      2.2 地質(zhì)條件

      橋位處地層包括第四系(Q)覆蓋層的填土(Qml4)層、海陸交互相沉積層(Qmc4)層、殘積(Qel)層和基巖的上第三紀(jì)(N)粉砂質(zhì)泥巖地層。

      河槽處土層有灰黑色飽和淤泥,飽和中砂,飽和圓礫,強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖,中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。巖層埋深約20 m,主橋持力層為中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖,其巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度建議值6 MPa,承載力基本容許值800 kPa。

      2.3 通航條件

      根據(jù)航道等級規(guī)劃,橋址處倒運(yùn)海水道為內(nèi)河Ⅳ級航道,通行500 t 級船舶。單向通航孔凈寬不小于45 m,雙向通航孔凈寬不小于90 m,通航凈高不小于8 m。

      槎馬大橋的通航凈空采用單孔雙向通航標(biāo)準(zhǔn),凈寬不小于140 m,凈高不小于8 m。通航水位采用洪水重現(xiàn)期10 a 一遇洪水位3.464 m。

      3 主墩設(shè)計(jì)

      3.1 主墩設(shè)計(jì)

      主墩墩身采用八角形實(shí)心墩,主墩根部橫橋向?qū)?2.0 m,頂寬14.0 m,兩側(cè)為直線變化,墩厚3.5 m??紤]到主墩較矮,主墩抗推剛度大,為減小溫度力、收縮徐變效應(yīng)及預(yù)應(yīng)力鋼束二次效應(yīng)等的影響,主墩采用雙肢布置,單肢厚度1.74 m。為保證主墩在縱向剛度和防撞能力間取得協(xié)調(diào),雙肢主墩間用一塊2 cm厚橡膠板分隔(墩頂1 m 范圍內(nèi)不設(shè)),兼作施工模板,確保主墩縱向柔度。橡膠板材料特性須嚴(yán)格保證,橡膠板作施工內(nèi)模用途形成雙肢薄臂墩,施工時(shí)須涂脫模劑,成橋后橡膠板永存。墩身采用C50 混凝土。

      承臺(tái)為圓端矩形承臺(tái),考慮到其增加主墩的高度及減小阻水的影響,將承臺(tái)底沉入河床以下。承臺(tái)平面尺寸為14.9 m×23.1 m(順×橫),厚度為5 m?;A(chǔ)由12 根D2.5 m 樁組成,按嵌巖樁設(shè)計(jì),樁頂嵌入承臺(tái)內(nèi)10 cm。 承臺(tái)采用C40 混凝土,樁基礎(chǔ)采用C35 混凝土,在澆筑承臺(tái)前在基坑內(nèi)澆注1m 厚封底混凝土,如圖4 所示。

      圖4 主墩構(gòu)造圖(單位:m)

      3.2 主墩靜力計(jì)算

      主墩采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì),進(jìn)行承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)計(jì)算,同時(shí)應(yīng)滿足構(gòu)造及工藝要求。主墩計(jì)算考慮荷載主要有8 500 kN 頂推力,收縮徐變,制動(dòng)力,整體升降溫,風(fēng)荷載等。采用有限元軟件MIDAS 建立單梁模型進(jìn)行分析,該模型共計(jì)396 個(gè)單元,485 個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖5 所示。

      圖5 全橋有限元模型(單位:m)

      經(jīng)計(jì)算,在承載力極限狀態(tài)下主墩縱橋向彎矩為84 184 kN·m,橫橋向彎矩為49 066 kN·m,軸力為21 953 kN,根據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]可求得正截面抗壓承載力為27 195 kN,安全系數(shù)為1.24,大于規(guī)范值1.1。在正常使用極限狀態(tài)下主墩縱橋向彎矩為56 254 kN·m,軸力40 965 kN,裂縫寬度0.17 mm,小于規(guī)范值0.2 mm,各項(xiàng)驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

      3.3 主墩抗震分析

      根據(jù)地震動(dòng)區(qū)劃圖,橋位處抗震設(shè)防烈度為VI度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g,本工程的地基土類型為軟弱地基土,建筑場地類別為Ⅲ類場地,該工程的設(shè)計(jì)地震分組為第一組,地震反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。E1 地震調(diào)整系數(shù)為0.61,E2 地震調(diào)整系數(shù)為2.2[4]。根據(jù)計(jì)算,主墩在E1、E2 地震作用下均處于彈性工作范圍,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足抗震要求。

      3.4 主墩船撞分析

      主橋橋位地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),主墩存在船撞風(fēng)險(xiǎn)。通過對主墩的船撞動(dòng)力學(xué)計(jì)算,確定全橋損傷概率。研究在加裝防撞設(shè)施前后船舶撞擊情況,對大橋的設(shè)計(jì)和后期的安全運(yùn)營具有重大意義。

      該計(jì)算利用有限元軟件,采用500 t 級貨船作為船撞船進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模,如圖6 所示,考慮該船滿載狀態(tài)時(shí),在最低、最高通航水位下正撞或者側(cè)撞橋墩。

      圖6 船撞有限元模型圖

      計(jì)算結(jié)果表明,安裝防撞設(shè)施后,船舶撞擊力顯著降低,其中主墩低水位最大撞擊力由5.35 MN 降低至4.19 MN,降低21.68%,船首變形,由1.39 m 下降為1.17 m。撞擊后橋墩表面應(yīng)力分布均勻,混凝土表面破壞的情況大幅下降,防撞設(shè)施做到了船- 橋雙保護(hù)。

      4 過渡墩設(shè)計(jì)

      為保證過渡墩與主墩風(fēng)格統(tǒng)一,過渡墩采用分離式板式實(shí)心墩,八角實(shí)腹截面,如圖4 所示,橫橋向根部寬6.0 m,頂寬8.0 m,兩側(cè)為直線變化,厚度為2 m。墩身采用C40 混凝土。

      承臺(tái)為分離式矩形承臺(tái),單個(gè)承臺(tái)平面尺寸為7.2 m×7.2 m(順×橫),厚度為2.5 m。單個(gè)承臺(tái)基礎(chǔ)由4 根D1.8 m 樁組成,按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

      5 結(jié) 語

      本文介紹東莞槎馬大橋主橋下部設(shè)計(jì)方案,結(jié)合此類橋型的受力特點(diǎn),詳細(xì)描述了下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和過程,可為類似工程的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

      圖7 過渡墩構(gòu)造圖(單位:m)

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