宜巴高速公路橋梁設(shè)計(jì)考慮因素及應(yīng)對措施

何劍輝 徐賢昭

1 概況

宜昌—巴東高速公路是《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》(7918網(wǎng))中18條東西橫線之一的第10橫——上海—成都高速公路湖北省西段,也是2020年湖北省骨架公路網(wǎng)規(guī)劃“六縱五橫一環(huán)”主骨架中“三橫”(黃梅—巴東)的西段。本項(xiàng)目的建成對全國和區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的完善,綜合開發(fā)區(qū)域資源,落實(shí)國家扶貧戰(zhàn)略,拉動整個(gè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,緩解交通量迅速增長的壓力,推進(jìn)東中西一體化進(jìn)程都將起到極其重要的作用。

工程所在地巴東縣位于鄂西山區(qū),地處秦嶺山脈東南麓。沿線地勢總體呈東南高,向北西漸低的趨勢。山體走向以北北東及北東東為主,與向斜軸向近一致,發(fā)育多級剝夷面,以構(gòu)造剝蝕溶槽中低山地貌、斜坡沖溝地形為主,并有高懸的巖溶臺地,巖溶壟崗谷地地貌,雞爪狀地形等。沿線地形大多山高谷深,以神農(nóng)溪為代表,山谷多為箱形峽谷和V形峽谷。

根據(jù)工點(diǎn)地形、地質(zhì)、河(溝)床特征及路線縱坡等情況,本路段橋涵構(gòu)造物基本上為跨越峽谷、斜坡沖溝等的特大、大、中橋,另外在較陡的山坡地形還設(shè)置了較多的高架橋。

以第四合同段為例,全線橋隧比例占路線總長的70%以上,橋梁平縱受地形控制因素影響較為顯著,大縱坡、小半徑、高墩、長橋成為本路段橋梁的一大特點(diǎn)。由于受眾多因素的影響,增加了橋梁設(shè)計(jì)的難度,同時(shí)復(fù)雜的地理環(huán)境,不良地質(zhì)災(zāi)害及地震設(shè)防的高要求,對橋梁的耐久性和抗震性能提出更高的要求。針對橋梁設(shè)計(jì)的特點(diǎn),現(xiàn)僅對設(shè)計(jì)過程中主要特殊考慮的因素和采取的措施做以下論述。

2 橋梁設(shè)計(jì)特殊考慮因素

針對上述宜昌—巴東高速公路更高的橋梁設(shè)計(jì)要求,在常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)方面,著重從以下幾個(gè)方面考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化:

1)橋梁平面布置要求;2)高墩穩(wěn)定性;3)地震災(zāi)害。

2.1 橋梁平面布置要求

由于山區(qū)高速公路地形比較復(fù)雜,平面線形指標(biāo)不高,處于圓曲線、緩和曲線的橋梁比重較大,橋梁平面布置尤為重要。

處于圓曲線或者緩和曲線內(nèi)橋梁可彎橋直做,彎橋折做和彎橋彎做。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)平曲線的半徑或緩和曲線參數(shù)以及橋梁的長度選擇合理的布置方法,使橋梁與路線線形圓順結(jié)合,整個(gè)公路線性流暢美觀。

由于本項(xiàng)目線性半徑較小(最小為680 m),橋梁較長,采用曲線直做不合適,造成橋型平面線性較差;采用曲線曲做,不但計(jì)算量大,設(shè)計(jì)時(shí)間長,且施工復(fù)雜,造價(jià)增加;故本項(xiàng)目正常寬度橋梁均采用曲線折做平面布置。若相鄰跨橋面外側(cè)預(yù)制梁端間隙較大,采用增加墩帽寬度等措施彌補(bǔ)。

具體設(shè)計(jì)時(shí),處于平曲線段上的正常寬度橋梁,沿測設(shè)中心線采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑,理論跨徑線均徑向布置,采用調(diào)整現(xiàn)澆連續(xù)段長度的方式布梁,中跨主梁預(yù)制梁長保持不變;邊跨主梁預(yù)制梁長根據(jù)梁端與伸縮縫中心線平行的原則調(diào)整梁長。

空心板梁長變化段應(yīng)設(shè)置在端橫梁至腹板變寬點(diǎn)間,T梁梁長變化段應(yīng)設(shè)置在靠梁端的第一個(gè)中橫隔梁與腹板變寬點(diǎn)間,預(yù)制梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束變化段應(yīng)設(shè)置在跨中直線段內(nèi);邊梁外懸臂長按八分點(diǎn)控制圓弧線變化。

2.2 高墩穩(wěn)定性

本項(xiàng)目區(qū)域地勢復(fù)雜,地形起伏大,高架橋存在較多高墩,其結(jié)構(gòu)安全性的控制性因素往往是壓彎穩(wěn)定問題,因此橋墩形式的選擇和截面尺寸的確定除應(yīng)滿足承載能力要求以外,還應(yīng)特別重視橋梁施工階段和運(yùn)營階段的穩(wěn)定性要求,尤其是施工期間單墩在風(fēng)荷載作用下的自體穩(wěn)定性和上構(gòu)架梁或懸澆箱梁節(jié)段時(shí),上構(gòu)偏載作用下單墩的縱向和橫向穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)過程中通過選擇合理的橋型、把握和控制好跨度和墩高的關(guān)系、采用合理的橋墩形式和結(jié)構(gòu)尺寸等措施來提高高墩的穩(wěn)定性,確保施工和營運(yùn)期間高墩橋梁不出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

本項(xiàng)目特大、大、中橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m,40 m預(yù)應(yīng)力T梁,先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。下部橋墩墩高超過40 m時(shí),采用空心薄壁墩,其中最高墩61 m,墩身采用C40混凝土。

由于空心薄壁墩結(jié)構(gòu)最突出的問題就是穩(wěn)定性問題,尤其是施工期間的穩(wěn)定性最差,分析穩(wěn)定時(shí)考慮材料非線性行為和高墩幾何非線性影響。

當(dāng)橋墩達(dá)到最大施工墩高,帽梁施工完畢,為橋墩的最不利穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算荷載為:1)墩身自重;2)墩頂荷載(帽梁荷載);3)縱向風(fēng)載;4)橫向風(fēng)載。橋址區(qū)基本風(fēng)壓350 Pa,即設(shè)計(jì)風(fēng)速為24.1 m/s,橋墩風(fēng)載按照高度變化,縱橫向風(fēng)載按照相關(guān)規(guī)范取值計(jì)算。

以30 m T梁61 m高橋墩為分析對象,建立梁單元模型。穩(wěn)定性分析取下列三種工況:

工況1:1)+2);工況2:1)+2)+3);工況3:1)+2)+3)+4)。

分析時(shí)考慮幾何非線性,考慮墩頂沿順橋向產(chǎn)生5 cm的偏位及單邊日照溫度效應(yīng)引起的非線性溫度梯度所產(chǎn)生的變形作為初始缺陷,修正結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。先進(jìn)行特征值屈曲分析,然后把特征值屈曲分析得到的一階屈曲模態(tài)對應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)位移特征向量按照一定比例縮小,作為比例加載因子。通過分級加載至結(jié)構(gòu)失穩(wěn),得到結(jié)構(gòu)的極限荷載。

現(xiàn)為順橋向失穩(wěn)。

3種工況下有風(fēng)載作用對橋墩的穩(wěn)定性影響略小(穩(wěn)定系數(shù)均為23.71),且屈曲模態(tài)一樣。

施工時(shí)要特別注意高墩的穩(wěn)定性,盡量減少墩頂不對稱荷載。采用架橋機(jī)施工時(shí),首先應(yīng)對橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行必要的驗(yàn)算,架橋機(jī)的前移應(yīng)“慢加速、勻移動”,盡可能減少架橋機(jī)對橋墩墩頂?shù)乃經(jīng)_擊力,施工時(shí)應(yīng)盡量避免在大風(fēng)和高溫環(huán)境下施工,當(dāng)墩高超過30 m時(shí),應(yīng)采取必要的臨時(shí)加固措施,確保高墩的穩(wěn)定。

2.3 地震災(zāi)害

設(shè)計(jì)中從汶川大地震對于橋梁的破壞吸取教訓(xùn),本項(xiàng)目嚴(yán)格按照J(rèn)TG/T B02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則對于橋梁設(shè)計(jì)構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)對于橋位的選擇,盡量利用對抗震有利的地段。當(dāng)橋位無法避免發(fā)震斷裂時(shí)則將全部墩臺布置在斷層的同一盤(最好是下盤)。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)保證基礎(chǔ)的抗震性能強(qiáng)于橋墩、臺身的抗震能力。對于鋼筋混凝土構(gòu)件,則合理選擇尺寸,配置鋼筋,增加延性,避免剪切先于彎曲破壞和鋼筋錨固粘結(jié)先于構(gòu)件破壞。對于裝配式結(jié)構(gòu)則采取加強(qiáng)整體連續(xù)措施。橋梁橫向設(shè)防震擋塊以防止橫向產(chǎn)生較大的位移。

具體:1)根據(jù)橋址區(qū)地震烈度采取了相應(yīng)的抗震措施:增大過渡墩處帽梁寬度,滿足JTG/T B02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則的相關(guān)規(guī)定;墩臺帽梁擋塊尺寸采用厚30 cm,高60 cm;2)橋梁墩、臺擋塊內(nèi)側(cè)、背墻與預(yù)制箱梁對應(yīng)位置及可能發(fā)生構(gòu)件剛性撞擊的位置均設(shè)有橡膠緩沖塊。

3 結(jié)語

宜巴高速公路橋梁設(shè)計(jì)具有大縱坡、小半徑、高墩、長橋的特點(diǎn),同時(shí)由于復(fù)雜的地理環(huán)境以及高耐久性、高防震要求,在設(shè)計(jì)過程中著重對橋梁平面布置要求、高墩穩(wěn)定性、地震災(zāi)害等幾個(gè)方面引起重視,并采取相應(yīng)措施指導(dǎo)設(shè)計(jì)。文中提出了一些粗淺的認(rèn)識,希望能給同行一點(diǎn)啟發(fā),不當(dāng)之處敬請同行和有關(guān)專家指正。

[1]JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]郁中偉,馬 良,鄭明玉.現(xiàn)行橋梁抗震理論與設(shè)計(jì)方法[J].山西建筑,2008,34(1):313-314.

[4]JTG/T B02-01-2008,公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].