澳大利亚布里斯班门道桥主跨结构的设计

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1、澳大利亚布里斯班门道桥主跨结构的设计内容提要澳大利亚布 里斯班市的 l 9 道(Ga t“way)桥正在施工中,预升1 985年竣工。孩桥系用 悬臂浇筑方法施工,2 6Om的主跨将是世界上跨径最大的混凝土悬臂梁桥。采用这一施工技本的还有新南威尔士地区的一些桥梁。1,弓道桥不仅桔 构尺寸有所突破,而_巨构造袖 节相当商单,代表了这一技术的较大发展。本文介招孩桥的主要特点和投爵概况。日l会.J, 二二施工中的布里斯班市(澳大利亚第三大城市,位于东部沿海译注)门道桥是跨越布里斯班河下游的一座六车道公路桥。在投标 阶段,瑞士伯尔尼的vSL国际 公司与澳大利亚的V SL分公司联合设计了 一个比较方案。由

2、澳方承包公司Tr ansfil d(Qld.)pty.Ltd.把该方案提交给业 主。昆士 兰州公路管理局选中了这一方案。桥梁的施工设计交给澳方 设计 公司(MaeDo n alaWagne r桥面板中的横向力筋以及零号块件中的附加力 筋,共 同保证 了上部结构的整体 性。两瑞的铰各是一段钢箱梁, 用滑动和导向支座 固定在引桥上,按传递剪力设计的。2.2材料2.2.1混凝土初步的静力计算表明,混凝土的标准圆柱体强度对桥墩应该为4 5MP a,对上部结构应为4 0MPa。首先进行了不 同配合比的混凝土试验,以便找到最佳成份的组合。混凝土要有足够的和易性,使能泵送到钢筋和力筋密布的箱梁深处去,并能在

3、采用二次机械转运过程中(吊机/ 泵或两次泵送),仍保持混凝土的和易性,使混凝上4 8小时强度不低于2弓MP a和2 8天强度分别是40Mpa(梁体)和45Mpa(桥墩)。上述指标应与常规要求的耐久性、外观和水密性以及混凝土在一天后拆模、两夭 以后承载的标准一起实现。最后选用的混凝土配合比是:材料含量水泥(H.E.s.B型晕)46o kg砾石ZOmm825kg砾石10m m250kg粗砂47 5细砂200掺加剂(pozzolith30 0K)350ml八ooks水泥水灰比。.3 7指标坍落度gom m施工 以来,现场试验表明,所生产的混凝土质量良好。为了确定模量E的实际值和查明混凝土的徐变和收缩

4、的实际值,进行了综合性的试脸。用于变形计算的模量E值归纳如下:澳大利亚全 国道路协会(NAAsRA)规范采用的标准公式:E.二6200了F。;(F石是混凝土在时间t的特征强度,下同译注)-初步试验后得出的公式:E。.=5300丫F。:最终试验后得出的公式:Ec:二500 0记F二:混凝土徐变和收缩的试验 采用了小15oxi soom m和中230义isoomm的圆柱体试件,分别在2天和2 8天后加载,并暴露在天然环境下 和置于标准环境(相对湿度5 0肠和温度25)之中。(一年的)阶段报告的内容综合如下2:一一在控制(标准)环境中的 试件(小1 5 0和帕30o m),收缩量与NAASRA(29

5、了 6)的理 论估算值(。、=60 0 微应变 )相当吻合;而在设计中也采用过欧洲棍凝土委员会一国际预应力混凝土研究联合会(C EB一f lp)规范 (1975)普遍偏低:理釜盟一2 7时间无限长天然环境下,试件的收缩量离N AAsRA规范给出的值较近,离CEB一F IP规范的值较 为远。但是NA ASRA规范中的。值也还需要作些修正,因此,应该进一步开展些研究。2 8天后加载的徐变系数值,对两种尺寸的试件来说,都与N A A SRA的结果. 相当一致(采用k c二2,5和kd= =0.7) (k c是根据气侯条件 取用的系数,kd为根据混凝土龄期或硬度取用的系数-一译注 )。按C EB一FI

6、 P的估算结 果偏大得多。2天后加载的徐变系数值,元论与NA A-SRA规范还是与CEB一F IP规范比较都没有一致的关系,实测值普遍偏小。因此,需要进一步研究和修订NAASRA规范。这一试验结果再一次表明,对混 凝土的 研究是十分必要的,对大型 工 程项 目更是如此。2.2.2普通钢筋钢筋是按澳大利亚标准AS 13 02在 当地 生.编注:H.E.S.B型指高早强矿碴型(H ishEarl yStr engthB)。产的,它是最小屈服强度(。.2帕)为41 0N/mmZ的冷加工成形的螺纹钢筋。对以后被弯折的露头钢筋,标准要求最小屈服强度为23 0N/m mZ。2.4施工步骤2.3后张预应力体

7、系细节上部结构采用由钢绞线或粗钢筋组成的后张预应力体系,表1给出了预应力钢材的特性值。夫1镇应力绷材 的 特 性,丝铰线(按A S1311)粗筋(按AS1313)标称宜径m m标称截面积mm生标称抗拉强度N/m m.屈服强度N/mml松弛(10侧)小时;20:初始 应力为极限拉应力的70肠)12.101。18 20164 073521哪210 809701.0简要回顾在极限状态 下采用 二次理论验算桥墩安全度的方法可能是有价值的。由于实际上没有一个规. 范涉及到目前这一情况,所以决定对此加以研究,以确定桥墩的全部效应。图27的流程图示出了极限状态下(二次理论)验算安全度的方法。该法是在“柱 挠

8、度曲线”7理论的基础上发展起来 的。在计算荷载变位函数关系时,考虑了非线性的 分析。其次,还验算了徐变对桥墩稳定性的 影响。显然,由于下述原因,使该问题变得 相 当复杂:-一桥墩混凝土 的龄期 从一个墩到 另一个墩,以及 从墩底到墩顶都不相同,一上部结构的浇筑过程是非对称的,一23一桥墩中的力随时间和静力体系的变化而改变。然而,限制这一问题是可能的,因为采用下列假定似乎证明是合理的:-一临界的静力体系是在上部结 构的悬臂已经建成,但跨中和两端铰处尚未连接之时(就稳定的观点而论,最终的静力体系并不是危险情况。此外,桥墩混凝土的徐变导致桥墩中力的降低,而 不增加墩顶的水平位移);-一徐变系数多少有

9、些随意地取值,以诚t,t。)二1.5,作为永久荷载引起的徐变,这个值有些保守,-一考虑的墩顶初始水平变位为10 0mm。计算仍按图2 7的步骤。唯一的区别是在于棍凝土 的材料特性,采用了考虑混凝土徐变的影响而修正后的混凝土。:曲线。采用这一修正曲线,可以再次确定桥墩的效应(见图28)。进而验算各种荷载组合的情况。总之,可以说:在本桥的具体情况下,根据不同荷载情况,徐变使施工阶段的安全度降低了630肠。3.5上部结构的设计83.5.1几何外形和摘截面实际上,桥面的竖向线形由公路的几何形状确定的:在 两 个主墩的外侧为5.3肠的恒定纵坡,主墩之 间的 竖向曲线半径为245 6.9 1m。高跨比在跨

10、中为1/50,在桥墩上的零号块件约为1八6.成因为竖曲线的影响使零号块件是变高度的)。边跨箱梁的底缘呈抛物线形,(为使 主跨与边跨的悬臂相平衡)主跨选用了正弦曲线形。确定桥面板几何尺寸的主要依据是静力的要求(例如:鉴于横隔 板只设于桥墩立柱的位置上面 和两端设铰 的部位,所以非对称活载必须 由箱形 刚架所吸收等)以及能足够布置力筋、锚具和钢筋的空间要求。腹板的 厚度根据剪力和横向弯矩的组合而确定,零号块 件是12。 。mm,第一组的7个悬臂块件是7 50 mm,其余块件均为65Om m。底板厚度由桥墩处的180 0I n m减薄到跨中的300mm。最大厚度受极 限弯矩限制,跨中的横 向弯曲(也

11、是由于底部力筋的预应力的偏差而引起)是一项不容忽视的设计要素。3.5.2空间刚架的分析门道桥是采用空间 刚架电算程序(为奥地利土木工程软件公司T D V所编制)进行分析计算的。该程序考虑了混凝土的徐变、收缩和力筋的松弛影响,逐阶段地计算随时间而变化的应力。其计算过程简要叙述如下:A)计算的准备(1 )记录和存储 所有横截面的几何数据,计算截面的特性,(2)输入整 个弹性体系的所有数字资料,(3)整个体系的运算,(4)给定所有的力筋组,计算力筋的几何特性,绘制力筋的力图,(5)力筋、力筋组按施工阶段分组、编号。B)对每一施工阶段(6)实际体系的运算;(7)建立实际阶段的体系方程:(s )配给实际

12、施工阶段的力筋组确定 内应力状态;这是作为实际休系计算、存储和使用的荷载;变位和 约束力的计算和存储,(9)在实际阶段中所有外荷载 (自重和下一阶段施工用的活动挂篮重)的计算,(1 0)实际施工阶段的徐变和收缩;(11 )组 合实际施工阶段中的全部荷载 情况下(来 自(8)、(9)和(10)步运算)的应力;为相应的力筋组标明“已张拉”。从而结束该施工阶段。C)最终阶段重复上述施工阶段(6)至(9)的相 同步骤,一24一(1 2)移过活动挂篮、外加荷载情况,诸如桥面铺装、护墙和交通等;(13)徐变和收缩影响的运算:组合原有应力、外加桥面铺装和护墙等永久荷载的影响,时间考虑至无限长;(10交通荷载

13、和附加荷载下法向应力的计算,(1 5)极限挠曲安全度的计算;(16)主拉应力的计算。作为例子,图2 9绘出了各阶段弯矩的变化情况。表5上部桔构中弯矩的比值_ _ _ 巨竺日一一 竺二生默。羔嘿:注:ML:交通荷载引起的,MG:结构自重引起的;M么T:温度变化 引起的.此外,表5给出了最终阶段桥墩处和跨中处弯矩的比值。3.5.3变形的控制变形的验算和控制乃是桥梁悬臂施工中最重要的任务之 一。特别是,决定上部结构每一待浇块件的 预拱度具有头等的重要性,其两个基本的理由是:-一合龙前,一个单跨的 两个悬臂端部应该尽可能在同一水平上,-一在结构物的施工和运营状态下,上部结构的标高频繁发生加或减(即向上

14、或向下的)变化。因此,在上部结构各个截面的施工中,应该预留容许差,以期保证在(约1 5到20年的)“无 限长时间”以后结构物能够保证在设计所规定的标高。在精确控制变形的过程中,有多种多样的参数在起作用。如果设计者希望 完善计算模式,以尽 可能地符合实际,就应该研究这些参数:一一混凝土的弹性模量(对已知集料的混凝土,它是强度的函数,并随时间而变化);混凝土的徐变系数;一混凝土的收缩系数;,一徐变、收缩和松弛引起的 预立力损失;上部结构各块件的 混凝 土的确切龄期和质量;温度梯度;-一活动挂篮的弹性变形;活动挂篮的自重;-一施工荷载或现场荷载; 桥墩的变形(弹性变形+收缩和徐变引起的变形);基础沉

15、陷;施工误差。上列所有参数,都对上部结构每一块件的设置有一定程度的影响。按照3.5.3节的步骤计算并总加每一点.上所有挠度值,可以获得图 3 0所示的曲线,它的每一点表示从某一时刻(即调整活动挂篮之后,浇筑该块件以前的时刻)到下一时刻 (即结构物已建成,计入长期损失已经发生的时刻)的最大竖向变形6。图3 1绘出的倒置的曲线,表示块件设 置的理论标高线。图32的曲线2表示每一步演算阶段的各个块件预拱度的实际几何轮廓线,参数d,是待浇块件的活动挂篮相对于前一块件上 的参考点或水准标记的理论 调 整高度。由于在各施工阶段,预 拱度 的 理论儿何轮廓线(图 3 2 的曲线2)可能和实 际 测量的结果有

16、相 当大 的出入,因而也需要在安置块件时考虑到这些差异。最后,应该指出的是,还 必 须考虑活动挂渡的非常明显 的变形,不断监 测全桥的 整体状 态。4.最后的说明到本文 写作时(1983年3月)门道桥的 上部结构的悬臂施工还没有开始。图3 3示出6号墩上零号块件的实际状态。这一重大的工程项目预计于1955年完成(图34)。5.今考文献产f阳矿卜卜卜卜rLf k仁爪子、仁l草t引拐,匀州|从引乍.飞嘴11+ 11十l引粼司 + |11工扫石脚匆叱耸恻芝忿工田倒+. !1.1冬务苍.l e s e s e s十e s.;,上14lll.J . 甲e s酬于!即sf才识衬侧身扩目闷川丫卜,犷布 浦仁邓书撇服琳峨n8闪一l|姜.1P.H isgins,J.Marwiek:TheAp pr oa ehStr uetu refortheGatewayBridg色一ACasestudyintheIntegratio nofCo n stru etio