包头黄河公路大桥顶推设计简介一、桥址概况本桥于包头东河区西南10公里的黄河上。

该河段属平原区游荡型河流。

具有河弯多、河床宽而而浅、比降平缓及河床摆动大的特点。

有的河段经过多年淤淘，最后自然裁弯取直。

桥位处北岸淘，主河槽有往北移的趋势。

南岸淤，河滩宽而浅。

黄河水位及流量，一年内出现两次高峰。

据记载27年内历史最大流量5,963m/s。

一年内有两次凌期，3月下旬开冻后及11月封冻前。

前者流冰严重，最大流冰体积可达450×200×1.5m3，流速1.27m/s，常在急弯浅滩处形成冰坝，拥冰堵塞，造成凌害。

为减少凌害，每年都需组织力量炸凌、防凌，迫使强行解冻。

造成凌情严重的原因主要是此段黄河流向由南向北，上下游纬度差达5度之多。

本河段水流含沙量大，年平均3.87～8.85kg/m3，日最大含沙量可达62kg/m3。

包头属大陆性气候。

年平均相对湿度52%。

年平均降雨量322mm。

风沙大，年平均最大风带1.8m/s，主要风向NE。

年平均最高气温35.7℃，最低气温-26.9℃。

土壤冻结深度1～1.75m。

10月下旬开始冰冻，次年5月中旬全部解冻。

本区地震烈度为6-7度。

由地质钻孔可知，表层30～40深为第四纪黄河冲积层，离地面40～100m为第三纪湖相沉积层。

经化验，地基土为硫酸盐盐渍化土。

除昭君坟河段有几百m长的片麻岩露头外，河底300m内无岩层。

二、桥位与桥型设计(一)桥位比较及桥孔设计桥位勘察时对三个桥位进行了比较。

其中昭君坟、镫口桥位因位置不适，接线长，线形差，拆房和占地多等缺点被否定。

最后确定画匠营子桥位。

该桥位有位置适宜，接线短，河床顺直，两岸地势较高，洪水可归槽等优点，缺点是河床地质较差，河底300m以内没有岩层。

设计流量按多年洪峰流量资料延长序列：Q1%=6,300 m3/s，Q0.33%=7,010 m3/s。

桥高由通航水位和最高流冰水位控制设计。

按1/300或1/100或然率所计桥高，桥孔尺寸基本相同，但前者计算基础埋深稍大。

设计流量为7,010 m3/s。

因桥位处地质差，不宜过分压缩，冲刷系数采用1.2。

桥下所需过水面积2,500 m2。

按流冰宣泄及五级通航要求，参照上下游河段已建成的桥梁，桥孔不宜小于60m，包头防汛指挥部要求70孔径。

本桥一般冲刷采用64-1式计算，h=15.2m。

局部冲刷按65-1式计算，h=6.41m。

(二)桥型方案的选择1973年曾对70mT构和65m悬拼连续梁方案进行过详细的比较。

二者在建筑高度、养护、外观、施工难易及使用性能方面相差甚微。

若每个墩基础均用8φ1.5m钻孔桩，T构所需桩长84m，连续梁所需桩长60m。

比较全桥经济指标，连续梁方案少用混凝土4,980m3，少用钢材177吨。

然而，基础的不均匀沉降将对连续梁产生附加应力。

但经计算，在4cm的相对沉降影响下，连续梁支点弯矩增值不超过10%。

当时推荐了连续梁方案。

1975年因压缩基本建设，该桥停建。

1978年工程再次上马。

上级要求1979年10月开工，限期两年完成，在这紧急情况下，设计重新考虑了桥型方案。

包头地处严寒地区，一月份平均最低气温-26.9℃。

在这样严寒的地区建桥，如何实现冬季施工，缩短工期以保建桥按时完成，是一个具体的问题。

因此，为了实现严寒地区冬季施工，为了确保主梁制作的精度和质量，为了减轻劳动强度，为了避免悬拼所需的大型悬吊起重设备，为了摸索新工艺顶推法施工在我国大跨径桥梁上的运用，经研究确定：上部采用三联四孔预应力混凝土顶推连续方案。

设计还考虑河槽变迁、五级航道通航的要求、冬春两季流冰宣泄的需要，跨径采用等跨65m。

下部由冰压力控制设计，均采用重力式墩台，1～6号墩采用空心沉井，7～12号墩采用8φ1.5m的钻孔灌注桩。

为减小顶推过程中的主梁内力，主梁前端设20m长的钢桁导梁，每跨跨中设临时墩(见照片1)。

在临时墩与永久墩之间设置水平拉索，使之与临时墩共同承受顶推时的水平推力。

三、主梁的设计与施工(一)技术标准跨径组合：3×(4×65)＋20m。

全长810m。

桥面宽：净9＋2×1.5m。

设计荷载：汽车－20，挂车－100，人群：350kg/ m2。

桥面纵坡：0%，横坡1.5%，人行道0.8%。

设计流量：7010m2/s。

设计航道：5级，通航净空5m。

设计洪水频率：按百年一遇洪水设计，三百年一则验算基础。

设计抗震烈度：按8度设防。

两岸引线为III级技术标准，路基宽8.5m，路面宽7m。

碴油路面。

(二)主梁构造及布束主梁横断面采用抗扭刚度较大的单箱单室箱形断面。

桥面不设三角垫层，车行道横坡由箱梁顶板自斜形成。

箱梁混凝土标号除支点梁段为500号外，余均为400号。

横隔梁布置在每孔的支点及跨中，中支点处横隔梁厚1m，跨中为0.3m，端支点处为0.5m。

为了方便内模拆卸，除端支点横隔梁与箱梁同时在顶推前制作外，其余均在顶推就位后完成混凝土的浇注。

为了确保顶推时箱梁的抗扭刚度，将中支点及跨中处之横隔梁分两次制作。

顶推时将槽钢制作的人字撑连接在箱梁壁的预埋钢板上。

待顶推就位后再布钢筋并浇注2/3横梁高的混凝土。

每联间设有钢梳形板伸缩缝，伸缩量12cm。

支座采用可耐低温－35℃的900吨和340吨盆式橡胶组合支座。

钢束种类按受力需要及张拉次序分为先期束和后期束。

先期束用于顶推阶段均为直束，采用墩头锚张拉。

由于采用逐段预制，逐段顶推的方法，则钢束必须逐段接长张拉。

顶板先期束为30束，底板束为20束，均系中心配束，基本上无二次力矩。

所谓中心配束就是：先期束的重心与箱梁断面的重心重合。

当顶推就位后，一部分先期束应拆除，称临时束，一部分留下供使用阶段用，称永久束。

后期束有直束和弯束之分。

每跨弯束的布置，跨中在下缘，接近支点在腹板内逐渐上弯，越过支点后逐渐下降，最后锚于邻跨的1/3跨径处。

弯束锚于箱梁腹板的加厚板上，直束布置在箱梁顶、底板上。

最长的弯束为108m。

施工中，只要管道不堵，穿束的困难就不大。

钢束采用国产24丝φ5的高强钢丝，抗拉极限强度R ＝16,000kg/cm2。

先期钢束采用墩头锚张拉，锚下控制应力为0.7R。

先期钢束和后期弯束的管道形成采用锌铁皮，其余采用橡胶抽拔管。

(三)主梁预制及顶推为加快进度，预制时采取先浇箱梁底板，后浇腹板、顶板的流水作业法。

顺桥向，底、腹板模板的位置为错开一个梁段安置，其目的是：浇注第一梁段腹板、顶板的同时，就可浇渡次一梁段底板，以扩大作业面。

原设计由两岸同时向跨中顶推的施工方案。

预制场长度因考虑顶推时的平衡重，采用14a。

预制箱梁段长除首尾段为7.975m外，余标准梁段为16.25m。

梁段划分时，考虑了接缝与主梁主要受力断面错开，以利主梁受力。

每一联箱梁共分17梁段。

由于采用了流水作业法，则底板钢束的张拉只有将次一梁段底板作为传力板。

此时墩头锚的张拉螺杆必须加长一个梁段，施工采用φ5高强钢丝制成工具束重复使用。

张拉时应满足底板传力所需的锚下局部应力的要求。

全桥12孔共分三联，分联顶推。

第1、2联需要采用首尾导梁，第3联吸需首导梁。

为拆除2、3联的前导梁，必在5、9号墩附近设置临时支撑。

镦头锚钢丝下料要求精度较高，本桥控制为L/3,000～L/5,000。

而钢线伸长量却影响着钢丝的下料长度，因此伸长量的计算比弗氏锚抻长量的计算要复杂一些。

本桥采用下列公式计算延伸量：0.7σj[e-(μθ+KL计)-0.091] ×(L下-2δ)△L= Eg式中:σj——钢丝标准强度16,000kg/cm2Eg——工地实测弹性模量2.04×106kg/cm2L下——钢丝下料长度，按下式计：L下= L计 +2δ1+ 0.7σje-(μθ+KL计)-0.091]Egδ——钢丝镦头所需长度0.9cm。

L计——钢丝计算长度，按下列两种情况进行计算：1）当一端为锚板一端为连接器时：L计 = （L+4.5）cm2）当两端为连接器时：L计 = （L-14）cmμ、θ、K等参数的意义见“预规”第5.2条。

注：1）式中0.091常数为考虑张拉时的初应力损失（1,019.2kg/ cm22）伸长量的计算与实侧的允许误差为：当钢束长＜25m时为±5%△L计；当钢束长≥25m时为≥±7%△L计；3）张拉时，实测伸长值与计算值之差均在允许误差范围。

(四)顶推设计中的点滴体会1.关于弯束的设计：弯束产生的二次力矩较小，并有利于改善支座附近的主拉应力。

相对于直束，线型更为合理。

所谓预加力产生的二次力矩，是指连续梁为超静定梁式结构，若把预加力当作外力，当外力作用于梁上后，在支点约束处要产生赘余力矩，此赘余力矩就是二次力。

设计曾用力法比较了拆除临时墩前、后，因预加力产生的二次力矩：a)二次力矩与初力矩的符号相反；b)拆临时墩前，张拉全部后期束所产生的二次力矩比拆除临时墩后，张拉后期束所产生的二次力矩要大；c)二次力矩的大小与钢束布置的位置有关，从理论上，总是可以寻求一种钢束的线型，使二次力矩为零，这样的钢束布置，国外叫做“无约制”线型钢束。

国外顶推连续梁一般都设置弯束。

本桥是国内顶推连续梁第一次采用弯束的尝试。

笔者认为：从改善受力，以利布束及方便施工，可将束分段切短。

弯束在腹板中应尽量靠边布置，以利混凝土浇注。

2.关于估束公式的采用：本桥采用弹性理论公式估计钢束的数量：钢束产生之抗力矩：M抗=T×(e上+K下)=n×f. ×σn(e上+K下)注：混凝土压力中心位置可按需要确定。

n =M(K+e)faσn式中：M——顶推过程中断面产生的最大弯矩。

K——截面核心距。

求顶板钢束时用K上，反之用K下。

e——钢束重心至断面中性轴的距离，求顶板钢束时用e上，反之用e下。

F——箱梁计算截面的毛面积。

fa——一束钢（24丝φ5高强钢丝的面积，4.7cm2；σn——可近似采用0.55σj=8，800kg/ cm2；上式实际上把预应力梁当着钢筋混凝土梁一样考虑，由钢筋承担拉力，混凝土承担压力，拉、压内力偶组成一个抗力矩与外荷产生的力矩平衡而得。

就横断面而言，由于未考虑相反方向预加力的作用，公式似乎比较粗略，但因公式推导的出发点是截面最外边缘应力为零及的取用亦偏安全。

从工程实用的观点，此公式概念明确，计算简便，由实际使用可知，公式是可行的。

3.关于顶推过程中不均匀沉降的计算：当顶推跨径较大且设有临时墩时，该项计算万不可忽视。

因为不均匀沉降对主梁内力的影响与跨径平方成反比，由下列求支点弯矩的公式可以说明：M = KEI△L2式中： K——由主梁支承条件而定的系数。

EI——主梁抗弯刚度。

L——顶推跨径。

因顶推时设有临时墩，使跨径l比使用阶段减少一半，当沉降很小时，也会产生很大的弯矩。