【《工字鋼組合梁整體橋整體式橋臺設計案例》2300字】

工字鋼組合梁整體橋整體式橋臺設計案例整體式橋臺將主梁和樁基固結在一起共同受力，其尺寸構造將對結構-土相互作用產生的變形和橋梁內力分配有直接影響，不同樁基礎的整體式橋臺典型構造如圖3-11所示，根據INTAB[56]的設計建議，以鋼樁為基礎的工字鋼組合梁整體橋的跨徑與橋臺高度比值建議在15~19之間，橋臺豎向高度與縱向厚度的比值在2.1~4.2之間。我國目前設計的采用混凝土樁基的多座整體橋跨徑與橋臺高度比值不超過10，目前最長整體橋的永春上坂大橋跨徑與橋臺高度比值為9.2，橋臺豎向高度與縱向厚度的比值為1.81。總體而言，整體式橋臺的縱橋向臺厚相對較小，近似于板結構。將橋臺的高度定義為從樁與橋臺結合面至組合梁頂部的距離。整體橋的橋臺尺寸與跨徑、主梁高度、樁基類型等因素有關，在豎向承載力相同的情況下，由于混凝土樁截面尺寸較鋼樁的大，因而采用混凝土樁基的整體式橋臺尺寸也更大些，標準化設計時應盡量選用較小尺寸。(a)采用鋼樁的整體式橋臺(b)采用混凝土樁的整體式橋臺圖3-11典型組合梁整體式橋臺布置圖整體橋需考慮溫度、橋臺入土深度不同和基礎類型等因素影響。溫度變化會引起主梁產生次內力，結構-土間產生相互作用，橋臺頂部和底部由于受到約束強度的區別將發生不同的縱向變形量。橋臺高度發生變化時，對主梁受力影響很小，但需要考慮橋臺縱橋向的變形量。綜合考慮臺后土類型、橋臺縱向厚度和橋臺高度三個主要影響因素，開展整體式橋臺設計分析，以單跨20m的組合梁整體橋為例進行說明。（1）臺后土體類型變化影響采用臺高2.5m、縱向厚度1.3m的整體式橋臺，取密實程度不同的三種臺后填土：松散土、中等密實土和密實土，m值分別為8000kN/m4、15000kN/m4、23000kN/m4。荷載組合分別考慮升溫和降溫作用，樁頂和主梁端部彎矩和縱向變形如圖3-12所示。可以看出，臺后土的密實程度對樁基的影響略大于對主梁影響；隨著臺后土密實程度增加，樁頂彎矩逐漸下降而梁端彎矩略微增大，梁端水平位移大于樁頂縱向變形，但臺后土密實程度增加對縱向變形的影響有限，樁頂或梁端的內力和縱向變形量成正比。因此，臺后采用松散土時，受力對主梁更有利；采用密實土時，受力對樁頂更有利。(a)彎矩對比(b)變形量對比圖3-12不同土體類型下關鍵截面彎矩和變形量比較（2）橋臺縱向厚度變化的影響采用固定m值為10000kN/m4的臺后填土，橋臺高度固定為2.5m，分別采用1m、1.5m、2m三種厚度，根據有限元計算結果，在兩種工況的作用下樁頂和主梁端部彎矩和縱向變形如圖3-13所示。可以看出，縱橋向橋臺厚度增大，樁頂彎矩和梁端彎矩將同時增大，樁頂變形和梁端變形幾乎不變。因此橋臺厚度的增加對整體橋的受力并不產生有利結果，反而因較大自重使節點內力增大，因此橋臺厚度設計不作為主要控制因素。結合課題組先前的研究結果[57]，理論上采用混凝土樁的整體式橋臺縱橋向臺厚的尺寸與樁徑相等時，樁頂內力和產生的裂縫均為最小，但考慮到橋臺受力的復雜性以及剛度和構造要求，橋臺厚度設計相對其他部位仍需保持一定的尺寸。（3）橋臺高度變化的影響采用固定m值為10000kN/m4的臺后土，橋臺縱向厚度固定為1.3m，橋臺高度分別采用2.0m、2.5m、1.0m、1.5m、4.0m五種情況。根據有限元計算結果，在升溫與降溫兩種工況作用下樁頂和主梁端部彎矩和縱向變形如圖3-14所示。可以看出，橋臺高度的變化對樁頂彎矩的影響大于對梁端彎矩的影響。隨著橋臺高度增大，樁頂彎矩下降而梁端彎矩有所增加，梁端變形影響較小，而樁頂變形則逐漸減小。因此，橋臺高度較小時，對梁的受力更有利，高度較大時，對樁的受力更有利。(a)彎矩對比(b)變形量對比圖3-13不同橋臺縱向厚度下關鍵截面彎矩和變形量比較(a)彎矩對比(b)變形量對比圖3-14不同橋臺高度下關鍵截面彎矩和變形量比較過大的變形量和內力都容易引起橋梁結構失效，隨著跨徑、尺寸設計的增大，這種效應必然更加明顯。參考《無縫橋規》第1.4.6條規定的整體橋縱向變形限值，“有設枕梁時不超過2.54cm，無枕梁時不超過1.20cm”，因此整體橋的設計需要控制橋臺合適的尺寸以達成變形和內力的協調。尺寸太小的整體式橋臺承載能力不足，易開裂導致結構失效，尺寸過大的整體式橋臺由于自重將產生較大的內力，不利于變形，且造價增加較大。實際設計時在滿足受力需要的情況下，應盡量使用較小尺寸的橋臺，既便于應用單排樁基礎適應變形，同時可以合理分配各節點的內力產生較好的效益。升溫作用下，不同跨徑下的單跨工字鋼整體橋橋臺高度變化與臺頂縱向變形關系變化如圖3-15所示。可以看出，臺頂縱向變形范圍在5.7mm~10.5mm之間，樁頂縱向變形量在2.5mm~1.1mm之間，四組橋臺縱向變形量均沿臺高呈線性變化。結合已有設計經驗和整體橋施工順序，對于不同跨徑的單跨組合梁整體橋，整體式橋臺按照施工先后順序可分為兩個階段：第一階段為樁基和樁帽施工，為橋梁奠定支承基礎，并為架設鋼梁提供支承，樁基頂部嵌入蓋梁一段距離以形成固結連接，將樁基橫向聯系起來；第二階段為鋼梁布置在厚度為跨徑1/1000的支承鋼板上形成組合簡支梁體系后，再將組合梁端部沿橫向現澆固結形成端墻，最終將主梁、樁基通過橋臺固結成整體，形成框架受力體系。按照這樣的施工方法，以組合梁和支承鋼板總高度為端墻高度，從而反算出樁帽高度。因此根據已確定的組合梁截面高度設計，擬定20m、30m、40m、50m跨徑橋臺尺寸設計列于表3-8中，橋臺高度在2400mm~6300mm之間，縱橋向厚度對應增大，在1200mm~3200mm之間，橋臺高厚比在2.0~2.1之間。整體式橋臺構造如圖3-16所示，臺后設置牛腿以支承引板，整體式橋臺與引板通過X型鋼筋連接，釋放部分橋臺彎矩不傳遞到引板。為使結構受力更合理，橋臺、支承鋼板、混凝土樁基中心線應保持同一垂線。圖3-15不同跨徑下橋臺升溫時縱向變形量表3-820m~50m跨徑整體式橋臺標準尺寸參數表跨徑（m）橋