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沙湾大桥设计介绍
2010-11-02 
1.工程概况

  广州地铁4号线沙湾特大桥是广州地铁4号线上一个技术难度大、控制工期的重要工程节点,它紧靠京珠高速沙湾特大桥上游,横跨沙湾水道,桥跨布置为(70+120+70)m预应力混凝土连续刚构。

  2.主要设计条件及标准

  (1)设计荷载。

  恒载:混凝土的容重采用26.25 kN/m³。

  桥面结构(包括桥面铺装及栏杆等)采用76 kN/m。

  活载:轻轨四节,活载布置如图1所示。
图1 活载布置简图(单位:cm)
  
  基础不均匀沉降边墩按0.5cm计,中墩按1cm计。

  伸缩力:152.874 kN/单股钢轨(伸缩区)。

  风力:基本风压W0=0.8 kN/m²。

  计算体系升降温按±15℃ ,上下缘温差按±8℃考虑。

  断轨力:480.0 kN/单股钢轨。

  地震基本烈度小于7度,按7度设防。

  预应力钢束管道摩阻系数取0.20,预应力管道偏差系数取0.002,预应力钢束松弛率0.025,一端锚具变形、钢束回缩及垫板压实值6mm。

  (2)荷载组合。

  组合a:恒载+活载+基础沉降+轨道伸缩力(主力组合)。

  组合b:恒载+活载+基础沉降+轨道伸缩力+风力+体系升温+顶板升温(主+附)。

  组合c:恒载+活载+基础沉降+轨道伸缩力+风力+体系升温+顶板降温(主+附)。

  组合d:恒载+活载+基础沉降+轨道伸缩力+风力+体系降温+顶板升温(主+附)。

  组合e:恒载+活载+基础沉降+轨道伸缩力+风力+体系降温+顶板降温(主+附)。

  组合f:恒载十活载+断轨力(主力+特殊荷载)。

  注:恒载包括结构自重、二期恒载、预加应力及混凝土收缩徐变。

  (3)列车行驶速度不小于50 km/h。

  (4)结构设计的使用年限为100年。

  (5)桥跨结构在列车静荷载作用下,其竖向挠度不大于L/1500m。

  (6)桥跨结构的横向自振频率应不小于90/L,L为桥梁跨度,m。

  (7)墩顶的弹性水平位移应符合下列规定:

  顺桥方向,△≤5√L;横桥方向,△≤4√L。

  其中,L为桥梁跨度,m,当为不等跨时采用相邻跨的较小跨度,当L<25m时,L按25m计。

  (8)墩台基础的沉降应按恒载计算,对于外静定结构,其工后沉降量不应超过下列容许值:

  a.墩台均匀沉降量:20mm。

  b.相邻墩台沉降量之差:20mm。

  对于外静不定结构,其相邻墩台工后沉降量之差的容许值,还应根据沉降对结构产生附加力的影响而定。

  3.总体布置

  3.1 平面布置

  根据地形、地貌等边界条件,本桥梁平面布置在半径为1000m的曲线上。

  3.2 纵断面布置

  根据两侧接线的要求,并考虑沙湾水道的净空限制,本桥梁设置在半径5000m的竖曲线上,两侧降坡均为-0.5%。

  3.3 桥跨布置

  由于紧靠下游京珠高速沙湾特大桥的桥跨为(70+120+70)m一联预应力混凝土连续刚构布置,所以为了通航和景观等要求采用一样的桥跨布置。

  3.4 横断面布置

  梁体采用单箱单室箱梁,桥面宽度为9.3m,包括两侧各0.2m的挡板,为双线,线间距为4m,轨距采用标准轨距1.435m。桥上轨道为无道碴轨道结构,采用纵向承轨台支承钢轨,轨顶至梁顶的高度为0.45m。

  4.桥梁景观设计

  本桥结构形式为连续刚构,为了满足轨道交通巨大的荷载,其主梁也较大,在墩梁结合处高度6.5m,跨中部位3.5m。设计中采用了多种手段对主梁进行处理。将主墩设计成比梁体略宽,并将墩顶分两向向上延伸,其分叉越往上越宽,侧面看桥时,立面呈现出由墩顶处向外发散的幅射状造型,弱化了巨大梁体的存在;在跨中梁体合龙段,增加竖向的凹槽,将梁一分为二,进一步消除其巨大的体量感。

  主墩的墩顶涂成蓝色,下部刻有凹槽,整体让人感觉到人性化的细节处理。其分叉状的造型让人联想到羊角,隐含着广州“羊城”的别称;也可将其想像成一只飞翔的海鸥,体现广州滨海城市特色。

  在主梁与标准段梁的衔接处,两种断面形式区别非常大。设计采用“包”的方法,利用桥墩把活动支座隐藏在桥墩内。墩顶也被涂成蓝色,与主墩不同的是上部不加分叉,是主桥墩与标准段墩的过渡形态。

  5.结构布置

  本桥采用(70+120+70)m连续刚构,桥梁截面形式为单箱单室箱梁,顶板宽9.3 m,底板宽6.9 m,中支点梁高6.5 m,跨中及边支点梁高3.5m。墩身采用7.9m×3.0m矩形板式墩身,承台尺寸为11.4 m×7.2 mx4.0 m,桩基础采用6根夺1.8 m钻孔桩,行列式布置,按柱桩设计。

  6.结构计算

  6.1 主要受力构件材料特性

  主梁采用C50混凝土,E=3.5×104MPa,ρ=2.625t/m3,R=35MPa;墩柱采用C40,E=3.3×104MPa,ρ=2.5t/m3, R=28 MPa;混凝土钻孔桩采用C25水下混凝土,E=2.9×104MPa,ρ=2.5 t/m3, R=17.5 MPa。主梁采用双向预应力体系。纵向预应力采用19-φ15.24和12-φ15.24两种规格的钢绞线,预应力管道采用真空压浆技术。竖向预应力采用φ32精轧粗钢筋。

  6.2 静力计算

  静力分析将结构离散为平面杆系单元,采用本院自编综合分析程序SCDS进行。中支点处嵌固于桩底;主梁于边墩处纵向自由、竖向约束;主梁与墩柱顶固结,见图2。
图2 连续刚构静力计算图示
  
  通过计算,施工阶段及运营阶段桥梁各部分结构的截面应力均满足规范要求,在此不再细述。

  主要控制节点位移见表1。从表1中位移值可见,因本桥具有很好的体系刚度,各主要控制点位移均不大,主跨跨中挠跨比为1/3108。

表1 主要控制节点位移 mm
  
  6.3 动力计算

  该桥的动力特性分析采用空间结构计算图示,连续刚构桥成桥状态的计算图示见图3。
图3 连续刚构桥成桥状态计算图示

  
  通过计算,成桥状态的动力特性见表2,由于梁段结构自重较大,给出的结构各主要部位的地震响应均较大,但经验算,结构各部位的地震响应均在允许范围之内,结构的抗震性能是有保证的。

  表2 连续刚构桥成桥状态动力特性
  7.结语

  沙湾特大桥作为广州地铁4号线中一个重要工程节点,也是国内地铁同类型桥梁中跨度较大的,其在技术、景观、进度和质量上都倾注了工程师们大量的心血,为保证整个工程保质按时完成打下了坚实的基础,目前广州地铁4号线已经顺利通车运营。

  参考文献:

  【1】刘怀林 大跨径连续刚构桥抗震分析和评价基本方法[J],山西建筑 2008 34(16):320 321。
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