永順不二門大橋設計

胡 斌，張艷偉

1 工程概述

永順不二門大橋位于永順縣寶塔村境內，是橫跨猛洞河連接S306與G207的一座特大橋梁，也是湘西北交通骨干網絡控制性工程。大橋全長377.6 m，寬 12.8 m，主跨 160 m，主墩高 76 m。該橋地處山區，深峽谷，地形高差變化大，橋位處第四系覆蓋層淺，地層性單一，屬灰巖。

2 主要技術標準

荷載等級:公路－Ⅱ級，人群荷載3.5 kN/m2;

橋梁寬度:12.8 m=凈—12 m(行車道)+2×0.4 m(防撞欄桿);

公路等級:二級，設計行車速度40 km/h;

設計洪水頻率:1%;

地震基本烈度:＜Ⅵ度;地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為 0.35 s。

3 橋型選擇

大橋處于一不對稱的“V”形山谷中，橋面至谷底高差達140余m，其終點側山體坡度陡峭，而起點側山體相對平緩些，且終點側有3條豎向裂隙。根據這一特殊的地形和地質條件，同時考慮經濟效益及環境影響等因素，最終選擇了經濟指標較好、施工工藝成熟的預應力混凝土剛構—連續組合梁橋作為橋型方案。橋梁布置見圖1。

剛構—連續組合梁橋是一種受力介于連續梁和連續剛構橋梁之間的一種結構形式，它兼顧了連續梁橋和連續剛構橋兩者的優點而摒棄了各自的缺點，在結構受力、使用性能等方面都具有一定的優越性。這種結構特點決定了它在橋梁的應用上既能增加聯長，又能適應矮墩等復雜的橋位環境的限制，具有很強的適應地形性。

4 結構設計

4.1 上部結構設計

4.1.1 箱梁尺寸

不二門大橋上部構造為(46+100+160+60)m預應力混凝土剛構－連續箱梁。箱梁斷面為單箱單室箱形截面。變截面箱梁梁底線型按1.7次拋物線變化，箱梁根部梁高(箱梁外邊緣高度)為8.5 m，跨中梁高為3 m，箱梁頂板全寬為12.8 m，底板寬度為6.8 m。箱梁在梁端、1號墩頂處設置1 m厚橫隔板;2號墩頂設置4道55 cm厚橫隔板;3號墩頂設置1道2 m厚橫隔板;箱梁在跨中、四分點及保靖岸現澆梁段內共設置8道30 cm厚橫隔板。第4跨靠保靖側25 m長的箱梁內采用C20素混凝土進行配重。上部箱梁采用C50混凝土。箱梁斷面見圖2。

4.1.2 箱梁梁段劃分

箱梁0號梁段考慮到掛籃的長度及雙臂墩的寬度，盡量減少施工墩旁托架，故定為12 m。由于施工中合龍段的澆筑時間要求短，結合施工中操作方便等因素，合龍段取2.25 m長。剩下的梁長分段，除考慮梁段的重量不宜差別太大外，還考慮梁段的類型不宜太復雜，故取1號～6號梁段長2.5 m，7號～11號梁段長3 m，12號～22號梁段長4 m。其中最重的懸澆梁段為1號梁段，其重量為1 360 kN。

圖1 橋型布置(單位:cm)

圖2 箱梁斷面(單位:cm)

4.1.3 箱梁預應力

主橋上部構造按全預應力混凝土設計，采用三向預應力體系，縱向、橫向預應力均采用高強度低松弛鋼絞線，標準強度1 860 MPa，設計錨下張拉控制應力1 395 MPa。縱向預應力束根據張拉的時間與形狀不同分為前期束和后期束，前期束包括腹板下彎束及頂板內直束，后期束包括底板束、腹板彎束和頂板對拉束。前期束在澆筑“T”時進行張拉，后期束在“T”澆筑完畢以及前期束張拉完成后主橋合龍時進行張拉。頂板橫向預應力采用扁錨體系，單端交錯張拉。腹板設豎向預應力，采用JL32的精軋螺紋鋼筋。

4.2 下部結構設計

由于大橋處特殊的地形和地質條件，大橋墩臺的設計也各不相同。0號橋臺采用U形橋臺接擋土墻結構，基礎采用擴大基礎。4號橋臺采用鋼筋混凝土臺座形式，嵌固于微風化灰巖中。2號主墩(圖3)墩高達76 m，采用墩梁固結方式。墩身設計為兩片空心薄壁墩，墩身采用箱形截面，順橋向長9 m，其中單片空心薄壁長2.2 m，橫橋向寬6.8 m。橋墩基礎為6根D250 cm挖孔樁基配2.75 m高承臺。3號邊主墩墩高僅23 m，墩身設計為箱形截面，順橋向長3.8 m，橫橋向寬6.8 m。橋墩基礎為6根 D 200 cm挖孔樁基配2.75 m高承臺。1號墩采用單排雙柱式橋墩，基礎采用2根D 250 cm挖孔樁，墩身采用2根220 cm(順橋向長度)×160 cm(橫橋向長度)長方形立柱，立柱與樁基之間采用邊長為300 cm方形樁帽連接，樁帽和立柱頂各設置一道系梁。

圖3 2號主墩一般構造(單位:cm)

5 結構靜力分析

大橋順橋向總體結構靜力分析采用平面桿系橋梁結構計算程序進行計算。由于大橋為不等跨結構，其上部主梁受力與施工方法密切相關，所以計算時嚴格按實際施工方法和合龍順序來模擬結構進行計算。全橋共分191個桿件，56個計算階段。由于地質條件相對較好，因此未按等剛度原理將樁基礎進行模擬，即不計樁基礎的影響，近似按承臺底固結考慮。中主墩(2號墩)與主梁固結。對于邊主墩(3號墩)，其對結構總體受力影響較大，因此計入總體結構計算模型中。而交接墩(1號墩)對結構總體受力影響很小，本計算沒計入總體結構計算模型中，其對結構的效應用單向支承的約束來處理。計算圖示見圖4。成橋運營計算包括恒載、活載、支點沉降、溫度、混凝土收縮徐變等工況，按規范進行最不利荷載組合。

圖4 結構總體計算圖示

大橋施工工藝流程為:主橋下部施工完成后，在2號、3號橋墩旁托架上澆筑0號塊，其余塊件(除合龍段及邊跨現澆段外)均以掛籃懸臂對稱澆筑，并張拉各階段預應力鋼束，直至最大懸臂(3號墩懸澆后期采用邊跨箱梁內灌注混凝土的方式完成懸臂不對稱澆筑);然后按先邊跨后中跨的順序依次合龍;最后進行橋面系施工。按此流程逐階段計算結構各截面內力、應力和位移，每個懸臂的施工包括掛籃就位、梁段澆筑、張拉預應力及掛籃前移等4個主要工況。成橋運營計算包括恒載、活載、支點沉降、溫度等工況，按規范進行最不利荷載組合。

計算參數:汽車活載按公路－Ⅱ級車道荷載考慮，橫向分布系數取2.3計算，汽車活載沖擊系數采用結構基頻進行計算;溫度效應按整體溫變±25℃計算，并按現行規范計入梯度溫度引起的效應;風荷載取基本風壓W0=0.4 kPa;基礎不均勻沉降量按1 cm計。

計算結果:在最不利荷載組合下，箱梁上緣最小應力為壓應力0.4 MPa，箱梁上緣最大應力為壓應力15.7 MPa;箱梁下緣最小應力為壓應力3.3 MPa，箱梁下緣最大應力為壓應力15.3 MPa;箱梁最大主壓應力為16.2 MPa，無主拉應力。墩頂及跨中截面的彎矩值和應力值見表1、表2。

表1 主梁截面抗力及彎矩值 (kN·m)

計算表明，主梁截面承載能力強度驗算、抗裂驗算、抗壓驗算等均滿足規范要求。

6 設計特點

1)橋型采用高墩大跨徑剛構—連續組合梁設計。根據橋位處不對稱“V”形山谷的特點以及終點側山體地質構造復雜等因素，橋梁主跨采用單跨160 m跨徑跨越，為我省目前已建成通車的同類型橋梁中跨徑之最。2號主墩墩高76 m，采用雙肢薄壁空心墩，且墩梁固結，既符合結構的受力特點，也避免了體系轉換帶來的施工不便。3號主墩墩高僅23 m，采用箱型斷面，墩頂設置支座，有利于箱梁的變位及力的傳遞，同樣也符合結構的受力特點。

表2 主梁截面應力值 MPa

2)采用不等跨設計，終點側邊跨與中跨之比僅為0.375，設計和施工技術難度高。

由于終點側山體陡峭，且裂隙發育，因此3號主墩只能靠山體內側布置，導致終點側邊跨與中跨之比僅為0.375，大大小于常規連續梁 0.55～0.7的正常比值，邊跨會由于太輕容易發生翹起，這就給設計和施工提出了更高的要求。經過仔細的研究分析，采用邊跨箱梁內灌注混凝土壓重的辦法能很好的解決了這一難題。即3號墩在懸臂對稱澆筑完17號梁段且保靖側合龍后，在中跨18號～22號梁段懸澆的同時，往邊跨箱梁內灌注混凝土壓重來達到墩兩側的力矩平衡。為了更好的保證橋梁施工質量，壓重的同時在邊跨側增加一定重量的體外配重，以及采用測力裝置監測4號臺的支反力的方法，最終大橋順利的合龍。

3)人工挖孔樁與山區橋梁建設中的環境保護問題。大橋跨越“V”形山谷，屬典型的山區橋梁。為避免大面積開挖、破壞山體植被和山體邊坡的穩定，橋墩基礎均設計成人工挖孔樁樁基礎。人工挖孔樁施工操作方便，施工質量可靠，占用場地小;施工過程中無泥漿排出，對周圍生態環境影響小，且可同時展開多個工作面，可大大縮短工期;另外施工中不需要大型機械設備，可降低工程造價。

7 結語

不二門大橋充分體現了依據地形、地質條件選擇橋型及布跨方式的設計理念。在山區深谷的橋梁建設中，剛構－連續組合梁橋以適應環境、經濟合理等優勢具有很強的競爭力。隨著國家加大對西部高等級公路建設的進一步投入，剛構—連續組合梁橋憑借自身的優勢作為設計中的主選橋型之一將會大量出現，不二門大橋的成功建成將為同類型橋梁設計提供一個很好的范例，也給山區建橋提供了寶貴的經驗。

［1］邵旭東.橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］JTG D60－2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［3］王文濤.剛構連續組合梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［4］鞏春領.大跨徑剛構－連續組合梁橋整體受力分析與探討［J］.結構工程師，2004(5).