高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

吳少亮 江名寶

摘 要：依托高山峽谷高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嶋H工程案例，介紹該橋的工程概況、總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算分析，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問題給出對(duì)策措施。

關(guān)鍵詞：高墩；大跨徑；連續(xù)剛構(gòu)橋；橋梁設(shè)計(jì)

引言

本橋是山區(qū)高速公路上的一座高墩連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋上部構(gòu)造為85m+3×160m+85m連續(xù)剛構(gòu)，主墩最高達(dá)104.5m，是山區(qū)橋梁跨徑較大、墩高較高的曲線不對(duì)稱連續(xù)剛構(gòu)橋。

圖1 主跨布置示意圖

橋位區(qū)為高山峽谷地貌，橋位區(qū)地形起伏較大，兩岸橋臺(tái)均位于山體斜坡上。大橋兩岸山坡上第四系覆蓋層較薄，強(qiáng)-弱風(fēng)化基巖埋藏較淺。本區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)性氣候，年平均氣溫14.3°C，極端最低氣溫-20℃°C，極端最高氣溫43.3°C。

1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)車速：80km/h；（2）設(shè)計(jì)荷載：1.3倍公路-I級(jí)；（3）橋梁寬度：本橋?yàn)榉蛛x式雙幅橋，單幅橋?qū)?2.25m，組成為0.5m（防撞護(hù)欄）+11.25m（行車道）+0.5m（防撞護(hù)欄）；（4）設(shè)計(jì)水位：SW1/300=407.788m；（5）地震基本烈度：地震動(dòng)峰值加速度0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35S；（6）基本風(fēng)速：根據(jù)抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速22.9m/s。

2 總體設(shè)計(jì)

大橋跨越典型的V型山谷，路線與谷底高差達(dá)140多米，橋梁規(guī)模大、設(shè)計(jì)復(fù)雜。高墩連續(xù)剛構(gòu)橋以其造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施澆工工藝成熟、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較少，在此具有比較明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從經(jīng)濟(jì)性和施工方便考慮，主橋推薦采用160m橋跨方案。同時(shí)，由于主橋邊跨過渡墩較高，為避免邊跨現(xiàn)澆段支架式施工，盡量減小邊跨現(xiàn)澆段的長(zhǎng)度，以適應(yīng)導(dǎo)梁或托架式施工，邊跨與主跨的比值以邊墩不出現(xiàn)拉力為原則采用偏小的0.53。故主橋橋跨布置設(shè)計(jì)為85m+160m+85m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部結(jié)構(gòu)

大橋上部構(gòu)造采用85m+160m+85m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，為單箱單室箱形截面。上部箱梁頂寬12.25m，底寬6.25m，懸臂長(zhǎng)3m。根部梁高10m，合攏段斷面高度3.5m，其間梁高按1.8次拋物線變化，箱梁根部底板厚130cm，合攏段斷面底板厚32cm，其間底板厚度按1.8次拋物線變化。頂板跨中厚度32cm，腹板厚度50cm～80cm。

主橋上部構(gòu)造按縱向全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860Mpa，設(shè)計(jì)錨下張拉控制應(yīng)力均為1395Mpa。箱梁縱向鋼束每股直徑15.2mm，大噸位群錨體系，規(guī)格分15-12、15、17、19、21五種。

3.2 下部構(gòu)造

從構(gòu)造上講，雙肢薄壁墩總體抗彎剛度大、縱向抗推剛度容易調(diào)整、箱梁的截面剛度遠(yuǎn)大于橋墩的截面剛度，能確保梁對(duì)墩的有效嵌固，對(duì)高墩的穩(wěn)定性有利，綜合考慮主墩采用雙肢薄壁空心墩，主橋橋墩采用雙薄壁箱型墩身。雙薄壁墩身外緣寬10m，單壁斷面尺寸6.25×3.5m，長(zhǎng)邊厚0.8m，短邊厚按墩高不同分為0.6和0.8m兩種，墩高53～94.5m，墩頂、墩底分別設(shè)置2.5m、3m實(shí)心段，橋墩按高度設(shè)置橫隔板。在71m以上的高墩（6、7號(hào)墩）的橋墩中間設(shè)置一道橫系梁，系梁尺寸為6.25×3×1.5m。主墩承臺(tái)平面尺寸為14.7×20.2m，厚4.5m；下設(shè)橫橋向4排、順橋向3排共12根2.2m直徑的基樁。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用midas Civil軟件對(duì)主橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。連續(xù)剛構(gòu)上部構(gòu)造施工工藝流程為：墩臺(tái)基樁等下部構(gòu)造施工完成后，在主墩托架上澆筑0號(hào)塊，其余梁段（除合龍段及邊跨現(xiàn)澆段外）均采用掛籃懸臂對(duì)稱澆筑，直至最大懸臂；然后按先邊跨后中跨的順序依次合攏；最后進(jìn)行橋面系施工。按此流程逐階段計(jì)算結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)力、應(yīng)力和位移，每個(gè)懸臂的施工包括掛籃到位、梁段澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉及掛籃前移等4個(gè)主要工況。

成橋運(yùn)營(yíng)計(jì)算包括恒載、活載、支點(diǎn)沉降、溫度及靜風(fēng)力等工況，按規(guī)范進(jìn)行最不利荷載組合。汽車荷載采用1.3倍公路I級(jí)；溫升梯度為l4℃，溫降梯度為-7℃，整體溫降為-25℃，整體溫升為25℃；基礎(chǔ)不均勻沉降10mm；風(fēng)荷載計(jì)算根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)規(guī)范（JTG/T D60-01-2004）》進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速V10=22.9m/s。

將以上作用分別按短暫狀況和持久狀況下短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)影響計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，上緣應(yīng)力最大值17.7MPa、最小值0.3MPa，下緣應(yīng)力最大值12.8MPa、最小值2.23MPa，上部結(jié)構(gòu)能滿足規(guī)范中全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)要求。墩底計(jì)算裂縫寬度0.11mm，下部結(jié)構(gòu)亦滿足正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)要求。

5 關(guān)鍵技術(shù)及對(duì)策措施

5.1 穩(wěn)定性分析

主墩高達(dá)94.5m，穩(wěn)定性問題突出，為了保證薄壁高墩在施工階段和使用階段的安全，必須對(duì)施工階段的最大雙懸臂狀態(tài)以及成橋階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

為此，采用了mias Civil進(jìn)行全橋穩(wěn)定性分析，計(jì)算分別分析了第一類穩(wěn)定和第二類穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果表明，施工階段最大雙懸臂狀態(tài)和成橋階段恒載作用下結(jié)構(gòu)第一類穩(wěn)定系數(shù)分別為17.754 和32.025，第二類穩(wěn)定系數(shù)也達(dá)2.587和4.572，主橋結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備。

5.2 高墩抗風(fēng)穩(wěn)定性

通過Midas計(jì)算軟件對(duì)該橋7#墩最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行靜風(fēng)荷載下的穩(wěn)定分析。本文列出了上述三種加載方式的穩(wěn)定系數(shù)。

7#墩各加載方式下最大懸臂屈曲表

一般認(rèn)為穩(wěn)定系數(shù)為6時(shí)，結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲(chǔ)備。三種加載方式的臨界穩(wěn)定系數(shù)均為9.8，說明結(jié)構(gòu)在靜風(fēng)穩(wěn)定性分析中，風(fēng)荷載的加載方式對(duì)橋梁的穩(wěn)定性影響很小，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起控制作用的是恒載、施工荷載等。

5.3 腹板斜裂縫問題

腹板斜裂縫主要發(fā)生在剪應(yīng)力大而截面抗剪能力不足的支座-L/4區(qū)域，造成腹板出現(xiàn)斜裂縫的最主要、最直接的原因是主拉應(yīng)力過大，豎向預(yù)應(yīng)力的有效性不足等因素。首先，大橋設(shè)計(jì)中從根部到接近跨中均布置了下彎鋼束。通過對(duì)布置較多下彎束和布置較少下彎束進(jìn)行比較可知，布置較多下彎束能有效減少截面的主拉應(yīng)力，提高箱梁的抗裂、抗剪能力。其次，大橋豎向預(yù)應(yīng)力采用二次張拉鋼絞線技術(shù)。二次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)施工工藝以安全穩(wěn)定性強(qiáng)，工程安全性好，低回縮，高效率，可有效減小腹板主拉應(yīng)力，避免腹板斜裂縫。

5.4 跨中下?lián)蠁栴}

跨中下?lián)鲜穷A(yù)應(yīng)力混凝土梁橋一個(gè)較普遍的現(xiàn)象，虎門大橋輔航道橋跨中最大下?lián)弦堰_(dá)到26cm。主因在于混凝土箱梁收縮及徐變、因開裂而導(dǎo)致的箱梁剛度變化、箱梁縱向預(yù)應(yīng)力有效性降低、由施工偏差及車輛超載引起的荷載增加等。大橋采取了增加頂板負(fù)彎矩鋼束、采用塑料波紋管、真空輔助壓漿工藝等措施，并規(guī)定箱梁所有預(yù)應(yīng)力施工都應(yīng)在混凝土養(yǎng)護(hù)齡期不小于7d，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%以上才能施工。

6 結(jié)束語

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋相對(duì)技術(shù)成熟、適應(yīng)性強(qiáng)、施工方便、投資省、后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少，是山區(qū)交通項(xiàng)目中具有強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的橋型方案。但同時(shí)部分大跨連續(xù)剛構(gòu)也出現(xiàn)了跨中下?lián)线^大及箱梁出現(xiàn)超規(guī)范的裂縫等問題。本橋設(shè)計(jì)在總結(jié)國(guó)內(nèi)已建橋梁經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為避免上述問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并在設(shè)計(jì)過程中采取了相應(yīng)的對(duì)策，為以后同類型橋梁設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。目前該項(xiàng)目正在施工建設(shè)當(dāng)中。

參考文獻(xiàn)

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

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