祁江大桥体外预应力连续刚构桥梁

第２２卷第１２期　２００６年１２月　甘肃科技　Ｇａｎｓｕ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｚ．２２　Ｎｏ．１２　Ｄ　ｃ．　２００６　祁江大桥体外预应力连续刚构桥梁　贾　丁　（厦门市市政建设指挥部，福建厦门３６１００４）　摘　要：本文介绍了国内第一座采用体外预应力设计的连续刚构大桥，祁江大桥体外预应力连续刚　构桥的设计成果，包括桥梁布置与构造、预应力筋线型的选择、体内体外预应力筋比例、相应设计的　结构应力状态，体外预应力索关键部位等。　关键词：体外预应力；连续刚构；构造　中图分类号：Ｕ４４５．７２　型，由淤泥质土、粉质粘土及砂土组成。　ｌ　工程概况　祁江大桥位于江津市仁沱镇新滩，大桥主桥跨　径为７５＋１３０＋７５米三跨一联的ＰＣ连续刚构，主　墩为双薄壁柔性墩。上游约８０ｋｍ为祁江县县城，　２　技术标准　设计行车速度：１００ｋｍ／ｈ；　桥梁宽度：３３．５米（整体式）；　设计荷载：公路　一下游不远即汇入长江，下河口３．５ｋｍ受长江干流洪　水顶托影响。桥位处属亚热带季风气候，具有南亚　１级；　设计洪水频率：１／１００；　地震烈度：６度。　通航等级：ＩＶ级；　热带气候属性，雨量充沛。年平均气温１８．８℃，最　高气温４２．２℃，最低气温１．７℃；年平均降雨量　１０５８．３ｍｍ，多集中于夏秋两季；年平均相对湿度　３　总体设计　根据桥位地形、地质、地貌、水文条件，主桥布置　７７　；年平均风速１．６ｍ／ｓ，最大风速１９．０ｍ／ｓ，为　ＷＮｗ风向。桥址区位于长江南岸构造侵蚀丘陵地　为７５＋１３０＋７５米三跨一联的预应力混凝土连续刚　构，全长２８０ｍ，主墩为双薄壁柔性墩，两岸主、引桥　间各设有一交界墩　主桥按双向六车道设计，分左　貌，两岸为大片阶地，以一、二级阶地最为发育。一　级阶地砂土、粉土；二级阶漂卵石土；三级阶地砂卵　石土高于河面７Ｏ～９０ｍ，零星分布于红色残丘顶部　右两幅桥，各宽１６．７５米。左幅连续刚构为全体内　预应力体系；右幅连续刚构为体内、体外混合的预应　大桥轴向与祁江流向近似正交。桥位处祁江段江面　宽约１１０ｍ，河床坡降约为１％０。两岸分布有大片阶　地，其高程为１９５．５ｍ～２２６．９ｍ，高于祁江枯水位　２Ｏ．５３～５１．９３ｍ；高于最高水位０～３１．４米；祁江漫　滩高程１７４．９７～１９５．５ｍ，坡度１５～２５度，坡面呈凸　力体系。其中一期束为体内预应力体系，二期束为体　外预应力体系。左右幅引桥均为３０ｍ先简支后结　构连续Ｔ梁。大桥总体布置见图１。　图ｌ　祁江大桥总体布置图　维普资讯 http://www.cqvip.com

１５４　３．１主桥上部　甘肃科技　第２２卷　载包括桥面铺装等桥面系构造。　活载：体外版的活载计算模数仍为汽车一超２Ｏ　级，挂车一１２０，通过横向分布系数的调整达到公路　一由于大跨径体外预应力体系桥梁的设计施工技　术研究在我国处于起步阶段，为便于比较体内和体　外两种预应力体系对桥梁结构的效应差别，左右两　幅桥的外形、几何尺寸和构造上基本相同，不同之处　主要在：①右幅桥的墩顶节段顶板厚；②体外索转向　Ｉ级车道荷载效应。主桥横向３车道控制，车道　折减系数０．７８。考虑腹板偏载系数１Ｉ　１。相应横向　分布调整系数：汽车２．９６；挂车１．１５。　温度荷载：整体升温２Ｏ度、降温２Ｏ度；桥面升　温１５度，降温１Ｏ度；桥墩壁内外线性升降温５度。　部位所在箱粱处；③边跨端横梁截面因体外束换束　和锚固的需要尺寸结构位置及尺寸与左幅桥相比有　所变化。　主桥单侧悬臂施工部分共由８个３．５ｍ和７个　４．４ｍ节段组成，箱梁顶宽１６．５ｍ，底宽９．２５ｍ。箱　梁根部梁高７．８ｍ（最低腹板外侧高），跨中梁高３．　０ｍ，箱梁高度以１．８次抛物线变化。８个３．５ｍ节　段腹板厚０．７ｍ，除１个４．４ｍ节段腹板为０．７ｍ向　０．５ｍ过渡外，其它４．４ｍ节段腹板厚均为０．５ｍ。　底板厚由跨中的０．２８ｍ按１Ｉ　８次抛物线变化至墩　顶处的ｌ＿０ｍ。　３．２主桥下部　主桥下部采用钢筋混凝土双薄壁实心柔性墩。　薄壁墩横桥向宽９．２５ｍ，纵桥向厚１．５ｍ，两壁间净　距４．０ｍ。承台宽１３．２ｍ，长１３．２ｍ，厚４．５ｍ。每个　承台下桩基础由９根直径为２．０ｍ的群桩组成。桩　基长２０ｍ，嵌入弱风化层３．５倍以上桩径。　４结构计算与预应力索配置　主桥采用ＢＳＡＳ进行纵向分析。结构整体分析　过程中同时还考虑了桩基础的刚度作用效应。主桥　按平面杆系进行结构分析过程中，基本上按实际施　工过程进行结构单元的划分。考虑到体外预应力筋　的转向和计算需要，在体外预应力筋转向部位均增　设节点，以使体外索单元与实际配筋线型一致。根　据连续刚构悬臂施工特点，计算过程中，将悬臂浇筑　节段的过程力转换为集中力施加到对应施工阶段。　４．１右幅桥计算参数与荷截组合标准　主桥箱粱、桥面铺装混凝土采用Ｃ５０，主桥墩身　混凝土为Ｃ４０，承台及桩基混凝土为Ｃ３０及水下　Ｃ３０。混凝土材料力学性能按规范取值。预应力钢　束计算参数为：弹性模量１９００００ＭＰａ，抗拉设计强　度１８６０ＭＰａ，抗压设计强度１２６０ＭＰａ，张拉控制应　力１３９５ＭＰａ，采用预埋波纹管成型，锚具变形及钢　束回缩值０．００６，采用两端张拉。　计算荷载包括：　恒载：一期恒载包括主梁及墩身等自重，二期恒　主梁温度梯度按ＪＴＧ　Ｄ６０—２００４取值。　不均匀沉降：考虑边支座与异侧墩支点不均匀　沉降２ｃｍ。　荷载组合按交通部《公路桥涵设计通用规范》　（ＪＴＧ　Ｄ６０—２００４）进行。　４．２预应力筋配索　左幅桥主梁采用三向预应力体系，即纵向、横　向、竖向均有预应力布置于箱梁混凝土截面中。除　竖向预应力筋为ＪＬ３２精轧螺纹钢筋外，其余预应　力筋均为　１５．２高强低松驰钢绞线。左幅桥为全　体内预应力筋。　右幅桥采用体内、体外混合预应力体系。预应　力混合配筋的比例是：体内索满足施工阶段各工况　受力要求，主要保证在施工阶段的节段浇筑和施工　等荷载作用下，混凝土应力状态满足规范要求。在　全桥施工合龙完成体系转换后，再利用体外预应力　来保证结构在包括二期恒载和全部活载作用下满足　各项规范要求。在经过预应力筋线型优化后，右幅　桥用于满足施工用的体内纵向预应力筋用量２１０ｔ，　满足二期恒载和使用荷载所需体外索用量为９６ｔ，　总计３０６ｔ，在右幅桥中体内、体外预应力筋的比例　为２．１８８：１。　在体内预应力筋线型方面，虽然左、右幅桥对每　个节段均设有水平扣索和下弯索，但在右幅桥进行　优化时，由于局部取消了竖向预应力故采用了较少　的水平扣索，且将每个节段的余下索的下弯角度在　满足施工要求和预应力允许弯曲半径的前提下尽量　增大，以使其充分发挥其抗剪作用，降低因剪力为主　产生的主拉应力。边跨和半中跨的体内预应力筋布　置如图２所示。　体外索预应力筋布置方面，主要考虑让它提供　足够的抗剪作用，以降低因剪力导致的主拉应力，但　为避免在跨中锚固给腹板和顶底板带来的不利影　响，而只在端横梁或墩顶零号块处锚固。这给预应　力配索带来了一定的难度，因为要使二期体外索的　线型完全满足截面应力变化规律且不在跨中锚固十　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１２期　贾丁：祁江大桥体外预应力连续刚构桥梁　１５５　分困难，解决办法只有通过增加多处转向，将体外索　多体外索，两边跨各有一束体外索在通过零号块后　截断锚固于零号块中跨一侧。其它体外索则全部通　分开转向，而设置过多的转向块将给施工带来不便　且过多的转向器又会增加造价。另一方面因为全部　过中跨与另一端的体外索间隔布置通过中跨后锚固　于另一侧零号块近边跨一侧。边跨体外索布置见图　３所示。　体外索通过跨中后，给中跨跨中顶部带来过大的拉　应力，为此，需要在中跨顶板设置多束合拢索，以避　免因体外索导致的顶板开裂。同时，因中跨需要较　图２右幅桥纵向体内预应力筋线型　图３右幅桥边跨体外预应力筋线型　考虑到右幅桥的体外预应力索对结构抗剪、抗　２）转向块：每跨设转向块两处，横向位置以箱梁　弯等受力性能的改善，取消右幅桥的部分竖向预应　力筋，与左幅桥相比，右幅桥节省用于竖向预应力的　精轧螺纹钢筋？Ｏｔ。　左、右幅桥横向预应力采用镀锌金属波纹管、扁　桥轴中心线对称，纵向位置以墩中心线对称。受体　外索分开转向的影响，每个转向块竖向转向束的位　置不同。图４为其中一个转向块中心横截面。全部　转向块厚１．Ｏｍ，均设０．２５ｍ倒角。　锚，单边张拉的常规预应力施工工艺。左、右幅桥体　内纵向预应力筋采用塑料波纹管，夹片式群锚，两端　张拉，真空辅助压浆材料和工艺。　与左幅桥相比，由于部分竖向预应力筋的取消，　既节省了竖向预应力筋和施工工期及人力，又保证　箱梁腹板混凝土浇筑质量。是一种较好解决目前竖　向预应力施工质量难于保证的新技术。该项技术将　结合科研课题进行进一步的深化和优化。　皿曲皿皿　衄衄衄皿　圈４转向块中心截面　５体外预应力关键部位设计　受体外预应力索转向及锚固的特殊需要，右幅　桥在墩顶零号块、转向块、边跨端横梁处的构造在左　幅桥的基础进行了加强。具体构造说明如下：　围５零号块顶部转向锚固区　３）零号块：墩顶零号块顶板既有体外索锚固，又　１）端横梁：考虑到端横梁处需要对体外索进行　张拉，以及将来的体外索更换工作空间，将端横梁沿　是体外索集中转向的位置。受两侧体外索交叉的影　响，考虑到锚固构造要求及转向受力要求，将交叉索　分两层布置，其中上层为该墩一侧边跨体外索通过　的转向束，下层为另一墩边跨索的锚固，考虑到受力　纵向内缩，并预留人孔以作将来换索需要。由于大　部分体外预应力索在端横梁处锚固，因此该部位的　构造作了重点加强。　和构造要求，将零号块顶板厚增加（下转第ｌ１５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第ｌ２期　张斌等：电力系统仿真中的故障模型研究　要求参数更加精确的情况下使用改进的Ｃａｓｓｉｅ电　弧模型和Ｍａｙｒ电弧模型。还有人提出了用随机过　程理论、特别是随机微分方程的理论来研究电弧，建　国际电工委员会（ＩＥＣ）推荐的雷电流解析表达　式为Ｈｅｉｄｌｅｒ雷电流模型：　；　ｅ＿ｌ，　立电弧的随机模型。随机电弧模型比较适合断路器　．ｒｌ＝ｅｘｐ［一（ｒｌ／３２）（ｎｒ２／３１）“　］　式中，Ｉ。通道底部电流的峰值；ｒ　为前沿时间　开断过程中成功与失败不确定性的实际，但在参数　确定过程中需要比“确定性电弧模型”更多的试验和　常数ｍ为延迟时间常数；．ｒｌ为峰值修正系数；ｎ为　指数（电流陡度因子）。这是基于霍德勒（Ｈｅｉｄｌｅｒ）　数学处理工作量，至今仍不如确定性电弧模型为人　所重视，离实用尚有一段距离。　现在双指数函数和Ｈｅｉｄｌｅｒ函数式雷电电流模　模型和传输线模型提出的，适用于首次雷击（１０／　３５０１，ｓ）和后续雷击（Ｏ．２５／１００１￣ｓ）。　型在电力系统仿真中都较为常用。根据实际测量结　Ｈｅｉｄｌｅｒ模型具有优于双指数函数的特点，它在　果表明选用Ｈｅｉｄｌｅｒ函数式作为雷电流随时间变化　ｔ一０时刻对时间的导数等于０，与观测到的第一回　关系比选用其它的更符合雷电电流的实际　应此建　击电流的波形是一致的。此外，通过改变Ｉ。，ｒ　，ｒ　议仿真中使用Ｈｅｉｄｌｅｒ模型作为雷电电流模型。　的值可方便地调节电流的幅值，最大电流变化率和　参考文献：　传输的电荷量。　［１］　汤涌，电力系统数字仿真技术的现状与发展［Ｊ］。电力　（３）脉冲函数形式　系统自动化２００２，２６（１７）：６６—７Ｏ　在雷电电磁场的计算中，都涉及到复杂的重积　［２］火久保仁编著；提兆旭译，电力系统工程学［Ｍ］。科　分运算，工作量巨大。双指数函数在ｔ一０时没有　学出版社，２００１，７９—８Ｏ　连续的一阶导数，而Ｈｅｉｄｌｅｒ函数又没有明显的积　［３］　王仁甫，电弧现象模型的发展［Ｊ］。高压电器，ｌ９９１年　分式。为了克服这种困难，有文［６］提出了脉冲函数　第４期，３９—４６　模型来表示雷电电流［６］。　［４］　Ａ．Ｔ．Ｊｏｈｎ，Ｒ．Ｋ．Ａｇａｒｗａｌ，Ｙ．Ｈ．Ｓｏｎｇ，Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｌ＇ｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｆａｕｌｔ　Ａｒｅｓ　ｏｎ　Ｆａｕｌｔｅｄ　ＥＨＶ　ｉ（０，ｔ）一旦（１一ｅ一－－／ｒ。）ｎｅ一／ｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］，ｌＥＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ－－Ｇｅｎｅｒａ—　ｔｉｏｎ，Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，１９９４，ｌ４ｌ（２）：　其中峰值修正因子．ｒｌ一（１一ｔ　）　ｔ。ｒ】　ｚ，ｔ　一ｒ　／　１４８—１５４。　（ｒ　＋ｎｒ　）。容易证明ｄｉ（Ｏ，ｔ）／ｄｔｌ　；。＝０且连续可　［５］　和伟，雷电对通信电源线的影响及通信局站的过电压　导。　保护的研究［Ｄ］。北京邮电大学博士学位论文，２０００，　这三种雷电电流模型都可以应用ＥＭＴＤＣ中　２：１　７—２２。　内置的模块实现。　［６］　Ｃｈｅｎ　Ｙａｚｈｏｕ；Ｌｉｕ　Ｓｈａｎｇｈｅ；Ｗｕ　Ｘｉａｏｒｏｎｇ；Ｚｈａｎｇ　Ｆｅｉｚｈｏｕ；Ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌ—ｂａｓｅ　ｃｕｒ—　４　小结　ｒｅｎｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ［ｔ－］Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，２００２　电力系统仿真中应用的电弧模型主要是黑盒模　３ｒｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　２１——２４　Ｍａｙ　２００２　型，一般情况下多数使用电弧的控制论模型，在一些　Ｐａｇｅ（ｓ）：３０４—３０７　（上接第１５５页）到１．５ｍ（左幅桥为０．５ｍ），如图５　量，缩短施工工期，从而节省物力、人力。　所示。　（２）体外预应力桥的设计需要对体外索锚固区、　上述三种情况的局部均通过计算进行配筋加　转向块等部位进行重要分析，处理好其结构局部受　强，以保证转向和锚固受力要求　力分析并进行构造配筋。　参考文献：　６　结语　Ｅ１］　中华人民共和国行业标准．公路桥涵设计通用规范　（１）体外预应力索的线型影响到结构受力、体内　（ＪＴＧ　Ｄ６０—２００４），人民交通出版社，２００４　索线型和布置，因此需要通过对施工、受力、造价等　［２］ＢＳＡＳ使用手册，西南交通大学，２００５　多方面进行综合考虑。在对预应力索的截面优化基　［３］吴鸿庆、任侠，结构有限元分析［Ｍ］．中国铁道出版　础上，结合体外预应力筋的合理配索，既保证结构受　社，２０００。　力，节省预应力材料，同时还可提高混凝土施工质　［４］李国豪主编，桥梁结构稳定与振动［Ｍ］．中国铁道出版　社，Ｉ９９２。