京沈高速公路北运河大桥V型连续刚构设计

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一、概述

北运河大桥位于京沈高速公路（北京段）K26+430处，跨越北运河。北运河发源于北京东北部军都山南麓，由东沙河、北沙河、南沙河子昌平县沙河镇汇合后始称温榆河，直至通州区北关闭，北关问以下称北运河，北运河流域面积2478平方千米。北关间下又有通惠河、凉水河、风港城河等汇合南下，于河北省屈家店汇入永定河，再经海河流入渤海。北运河属于海河水系，是公元605年隋朝时期开凿的京杭大运河的源头，它为当时的南北交通及经济繁荣做出过巨大的贡献，今天仍是北京东南方向的主要排灌河道。1962年、1973年水利部门对北运河进行过整治，1993年又按规划河道重筑左堤，两堤间距扩至1345m澳标准为10年一遍开槽，20年一遇筑堤，50年一通校校。根据规划及水利部门的要求，综合各方面因素，主桥采用三孔V型连续刚构，其跨径为420+780+420m，两端引桥分别为8mx25m和33mx25m预应力混凝土简支T梁。桥梁斜交角度为75度，桥梁全长1189.08m，其中主桥长162m，引桥长1027.08m.

北运河大桥主桥是京沈高速公路上的控制工程，工期限制性较大，施工工艺及方法复杂，其直接影响施工进度及施工质量。为了加快进度、提高功率，V型墩及主箱梁施工采用满堂红支架方法，分3个阶段现场浇筑形成，预应力钢束按规定阶段分批进行张拉。另一方面，北运河主河道在常水位时水面宽120m，水深5m，经与有关单位反复商定，最后以填土压缩河道和临时墩相结合的方法，解决了主河道搭设模板支架问题，实践证明，该施工方法不但保证了河水畅通，同时又保证了工期和质量。临时墩为桩基横向焊接工宇梁，纵向铺设贝雷梁构成。北运河大桥是京沈高速公路上唯一的一座特大桥，主桥桥型选择及整体布局是成功的，设计上采用的双向预应力技术、大直径群桩基础、合理的施工阶段划分及施工工艺。局部的一些构造处理，保证了工期和质量，具有可取和独到之处。

二、桥型选择

根据规划及水利部门的意见，在满足水文计算的情况下，桥孔不小于1100m，主桥不小于200m，在众多方案的基础上，对主桥提出了三个桥型方案：

方案1：三孔V型连续刚构，跨径布置为60+100+60m.

方案2：三孔变截面连续梁，跨径布置为60+90+60m.

方案3：中承式钢管混凝土拱桥，跨径布置为40+120+40m.

方案1：V型连续剧构是近年来新发展起来的结构型式，桥型新颖美观，V撑减小主跨跨径，断面尺寸减小，显得更加轻巧，结构整体性好，施工方便，造价较低。

方案2：连续桥梁结构轻巧，受力合理，需大吨位支座，造价居中。

方案3：中承式钢管混凝土拱桥，桥型美观，结构较复杂，对基础要求较高，施工难度较大，造价较高。

经技术、经济综合比较并报主管部门批准，最终采用V型连续剧构方案，经进一部与有关部门协商和优化，主孔跨径减为78m，相应边孔跨径减为42m.

三、结构设计

北运河大桥主桥经规划、水利、桥梁等方面专家论证，最后选用了结构布局合理、造型优美、经济可行的V型连续刚构型式。

l设计标准：设计荷载汽车一起20级，挂车-120；

地震裂度8度；

洪水频率1／100；

设计流量Q1%＝2262立方米/秒

设计流速V槽＝2.03m／s；V滩＝034th／s；

设计水位Hs=20.23m.

2上部结构

主桥上部结构为42十78+42m预应力混凝土V型连续剧构，全长162rn，全宽30m，为上下行双桥式经构；主梁采用变截面单箱双室结构，截面高度变化曲线方程为旋转的二次抛物线，V撑与主梁衔接处用国曲线顺接。主梁梁高160～260m，翼板宽14Zm，箱宽8.sin，顶板厚25ctn，底板厚20.，梁端及靠近V撑处底板厚由20.渐变至50cm，腹板宽均为0.6m，靠联接器处边腹板宽由0.60m渐变至0.75m，中腹板定由0.60m渐变至0.80m；主梁共设17道模隔梁；V撑力实体截面。

3下部结构

主墩：采用45号钢筋混凝土矩形墩身，上接V撑，V撑中加竖向预应力，下接承台，长9.11米，宽4.70m，承台下为4排钻孔灌注桩基础，桩径15m，桩长40m.

联接墩：采用双住桥墩，盖梁为T形截面，由于主、引桥主梁高度不同，盖梁项面纵桥向做成台阶状，长12.60m，宽1.80m，高1.708m.柱径13m，柱下接承台，承台为工字形，承台厚2.0m，其下为双排钻孔灌注桩基础，桩径为1.5米，桩长为35.0m.

4其他

桥面铺装：桥面铺装力等厚度，共15厘米。上层为8cm厚沥青混凝土，其中4厘米（玄武岩）中粒式沥青混凝土，4厘米（石灰岩）中粒式沥青混凝土，下层为7rm厚抗折混凝土。桥面混凝土与沥青混凝土之间设防水层，防水层采用FWI71型桥面专用防水涂料。

支座及伸缩缝：伸缩缝采用XF160一Ⅱ型毛勒缝。主桥联接墩支座为四氛板式橡胶支座，其规格为60mX40mX9.2厘米

四、结构分析

1上部结构内力计算

本结构为V型连续剧构，在施工阶段受力体系经三次交换，由低次超静定向高次超静定过渡，计算中纵、横向均采用平面杯系假定，利用桥梁综合程度分别对各施工阶段及运营阶段的受力情况进行了应力、应变分析。根据受力结果，合理调整支架的安装与拆除、混凝土浇筑及钢束分批张拉顺序，将各阶段的截面受力严格控制在安全范围之内。计算中考虑的荷载有：恒载、预应力、汽车荷载、挂车荷就温度变化影响力、基础变位影响力、混凝土收缩与徐变影响力等。

2预应力钢束布置

根据受力状况，主桥在箱梁及V撑内均布置了预应力钢束，钢束全部采用ASTMA416-90a型高强度低松弛钢绞线，标准强度R=1860MPa.每束力12X7Φ5，每束张拉控制应力σK=0.72R=1339.2MPa，张拉力为2317.4kN.预应力锚具张拉端为OVM15-12型，非张拉端为OVM15-12P型，联接器为OVM15-12L型。预应力钢束除两联接器之间的通长钢束采用两端张拉外，余均为一端张拉，考虑到减少预应力损失，主梁上设两道连接器装置。

3下部结构计算

下部结构分别接施工阶段和运营阶段进行了计算。计算荷载有温度力、汽车荷载、挂车荷载、风力、汽车制动力及地震荷载。本桥位处地基属于m类场地上。

温度力按墩身刚度及基础刚度计算。

下部结构地震力接反应借理论计算，分别考虑了两种情况：

①考虑一般冲刷线；

②考虑地基土液化。按多质点分别计算各部分地震力。结构分为五部分：上部结构、撑、墩身、承台及基桩。按一股冲刷线计算主桥基本周期TI=0.668s，按液化线计算时基本周期TI=0.7812s.

主桥基础力承台下接群桩基础，按m法计算。运营阶段计算了最大冲刷线时基桩内力、地震荷载，计算了一般冲刷线及液化线时的基桩内力。考虑了上部结构温度力，徐变影响力、上部预应力及基础沉降对下部结构的影响，按最不利组合进行强度验算。