不對稱高墩大跨連續剛構橋設計關鍵問題研究

羅 強

(湖南省交通規劃勘察設計院，湖南長沙 410008)

1 工程概況

舞陽河特大橋是貴州省思南至劍河高速公路上一座典型的高墩大跨連續剛構橋。橋位區受地形地貌、地質條件控制，在經過技術、經濟、美觀等多方面充分論證后，大橋主橋采用115 m+2×180 m+100 m(115 m)的預應力混凝土雙肢薄壁墩連續剛構，其橋型總體布置見圖1。

圖1 橋型總體布置圖(單位:cm)

2 高度不對稱的三個主墩剛度匹配研究

舞陽河特大橋跨徑達到180 m，最大墩高達120 m。由于地形、地質的原因，使得大橋三個主墩高度分別為100、120、60 m，最高墩是最矮墩高度的2倍。為了使三個主墩的剛度較好地匹配，需要分別設計三個主墩的截面尺寸。該橋三個主墩均采用等截面矩形雙肢薄壁空心墩，所以三個主墩的剛度問題就歸結為a、b、c、s四個參數的確定。見圖2。

根據工程設計實際經驗及施工方便的原則，初步擬定三個主墩的主要設計參數如表1。

按照擬定的三個主墩的設計參數建模，施工方案為常規的對稱懸澆施工。由于大跨連續剛構跨中下撓等問題比較突出，初步擬定了1 500 kN的合龍反頂力。運用橋梁博士3.1版本計算，按照控制截面單元號的位置及最不利工況下截面受拉的性質(粗黑色區域為受拉的位置)繪成示意圖3。

圖2 矩形截面空心墩截面參數

表1 初步擬定的主墩參數表

圖3 控制截面單元示意圖

分析計算結果及圖3可得:

1)墩柱控制截面的位置均為墩頂或墩底。

2)墩柱控制截面的最不利工況均為最大彎矩(或最小彎矩)下所對應的內力組合。

3)3號墩控制截面為195號單元，4號墩的控制截面為227號單元，5號墩的控制截面為303號單元。

4)3號墩195、226號單元，5號墩303號單元的抗力均小于結構內力，b值需要調整。

由力學常識可知，b值增大，則截面抗彎剛度增大，而所分配的彎矩也會隨之增加，故通過定性分析不能確定b值。下面就以b值為400、420、300 cm的截面尺寸組合(組合二)作為3、4、5號主墩的起算截面進行計算，另外選擇了6種截面尺寸組合與之進行對比計算，其主墩控制截面195、227、303號單元的強度驗算結果如表2所示。

分析表2，可得:

1)從表2豎向看，隨著截面尺寸增大，彎矩和抗力都增大，而e值也增大。這表明此類高墩結構，主墩截面的尺寸越大，就更容易滿足結構受力的要求。

2)從表2橫向看，當3號墩b值與4號墩b值相近時(3.8、4.0、4.2 m)，其控制截面的e值均明顯小于4號墩。這說明此類高墩不對稱結構，若邊墩和中墩高度相近時，雖然中墩最高，卻不控制設計，反而邊墩的截面尺寸設計得要比中墩的截面尺寸大，才能滿足受力要求。

3)5號墩墩高為65 m，與3、4號墩高度相差近1倍，故其截面尺寸設計得較小，即能獲得與3、4號墩相近的剛度。

根據表2，單獨列出7個組合下3個主墩控制截面的e值，得到表3。

表2 控制單元不同截面組合強度驗算表

由表3不難看出，在既保證結構安全、又經濟合理的原則下，組合5三個主墩的控制截面單元的e值分別為 10.9%、9.6%、8.7%，分布最均勻合理，說明三個主墩在該組合下，剛度分布最為合理，故組合5成為最后確定的截面尺寸。這樣通過對比分析得出3、4、5號主墩最后的設計參數見表4。

表3 控制單元不同截面組合e值表

表4 最終確定的主墩參數表

3 不對稱懸澆施工合龍順序及受力研究

該橋在施工期間，3號墩邊跨側只能滿足17 m長現澆段的支架施工，而該橋由于地形、地質的限制，需要25 m長的現澆段。為了解決施工中的實際困難，降低搭設超高墩支架施工的風險，筆者提出了增加兩個不對稱懸澆段(每段4 m)的方案(見圖4)，不對稱懸澆施工的關鍵工序如下:

1)工序一為按照常規分段對稱懸澆主跨T的梁段至中跨合龍處。

2)工序二為邊跨搭設支架施工至邊跨合龍處。

3)工序三為不對稱懸澆1號段，同時在3號墩T構右端配重1 700 kN。

4)工序四為在兩個中跨合龍口施加反頂力1 500 kN。

5)工序五為跨中合龍。

6)工序六為不對稱懸澆2號段。

7)工序七為邊跨合龍。

該方案的一個主要特點是，在不對稱懸澆1號段后即先合龍中跨，然后在不增加配重的前提下，利用兩個中跨合龍后3、4、5號墩之間形成的一個雙門式框架結構，來承受2號段的不對稱懸臂施工所產生的不平衡彎矩。這樣只需配重1 700 kN，降低了施工風險，同時降低了3號墩頂的負彎矩。經過對比計算分析，先合龍中跨的方案成為最終確定的施工方案。

圖4 不對稱懸澆施工工序

不對稱懸澆施工對墩柱的控制截面彎矩峰值、T構墩頂負彎矩值及邊跨頂、底板的負、正彎矩峰值均有不同程度影響，此外對主梁合龍口豎向位移也會產生影響。設計時需要結合實際應力情況進行驗算和調整(增加)預應力配束，由于篇幅所限，此處不再贅述。

4 結語

舞陽河大橋為特大型山區橋梁，具備典型的不對稱高墩大(多)跨特性。主橋擬定為115 m+2×180 m+100 m(115 m)連續剛構。三個主墩最高為125 m，最矮為60 m，差異極大。本橋開展了高度不對稱(不等)的三個主墩剛度匹配研究，并對三個主墩截面的設計進行了研究。此外，該橋還進行了不對稱懸澆施工的專項研究。該橋設計的特點可歸納為以下幾點:

1)本橋為兩跨180 m連續剛構，其主跨長度、主跨跨數在省內連續剛構設計中居于前列。

2)該橋在特大跨連續剛構設計中，在我省首次采用了等截面雙肢薄壁墩設計，極大加快了施工進度，為以后同類型結構設計拓展了思路。

3)為了降低搭設高墩支架施工的風險，節約施工成本，該橋在我省高墩大跨連續剛構設計中，首次采用了增加不對稱懸澆段施工的設計，受到了業主及施工單位的好評，也是對類似結構設計進行的一種有益的探索。

4)為了減少由于不對稱懸澆施工所施加的配重重量，該橋進行了合龍工藝的專項研究，并最終采用了首先合龍中跨，再合龍邊跨的設計。

［1］馬保林，李子青.高墩大跨連續剛構橋［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］鄔曉光，邵新鵬，萬振江.剛構橋［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］JTG D60－2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

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［5］楊志軍.連續剛構橋型在山區高速公路上的應用［J］.黑龍江交通科技，2010(8).

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