高墩大跨徑連續剛構橋設計與計算分析

吳少亮 江名寶

摘 要：依托高山峽谷高墩大跨徑連續剛構橋實際工程案例，介紹該橋的工程概況、總體設計、結構設計、計算分析，并對關鍵技術問題給出對策措施。

關鍵詞：高墩；大跨徑；連續剛構橋；橋梁設計

引言

本橋是山區高速公路上的一座高墩連續剛構橋，主橋上部構造為85m+3×160m+85m連續剛構，主墩最高達104.5m，是山區橋梁跨徑較大、墩高較高的曲線不對稱連續剛構橋。

圖1 主跨布置示意圖

橋位區為高山峽谷地貌，橋位區地形起伏較大，兩岸橋臺均位于山體斜坡上。大橋兩岸山坡上第四系覆蓋層較薄，強-弱風化基巖埋藏較淺。本區屬溫帶大陸性季風性氣候，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 技術標準

（1）設計車速：80km/h；（2）設計荷載：1.3倍公路-I級；（3）橋梁寬度：本橋為分離式雙幅橋，單幅橋寬12.25m，組成為0.5m（防撞護欄）+11.25m（行車道）+0.5m（防撞護欄）；（4）設計水位：SW1/300=407.788m；（5）地震基本烈度：地震動峰值加速度0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35S；（6）基本風速：根據抗風設計規范設計基準風速22.9m/s。

2 總體設計

大橋跨越典型的V型山谷，路線與谷底高差達140多米，橋梁規模大、設計復雜。高墩連續剛構橋以其造價經濟、施澆工工藝成熟、養護費用較少，在此具有比較明顯的競爭優勢，從經濟性和施工方便考慮，主橋推薦采用160m橋跨方案。同時，由于主橋邊跨過渡墩較高，為避免邊跨現澆段支架式施工，盡量減小邊跨現澆段的長度，以適應導梁或托架式施工，邊跨與主跨的比值以邊墩不出現拉力為原則采用偏小的0.53。故主橋橋跨布置設計為85m+160m+85m。

3 結構設計

3.1 上部結構

大橋上部構造采用85m+160m+85m預應力混凝土連續剛構箱梁，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。

主橋上部構造按縱向全預應力混凝土設計，預應力采用高強低松弛預應力鋼絞線，標準強度1860Mpa，設計錨下張拉控制應力均為1395Mpa。箱梁縱向鋼束每股直徑15.2mm，大噸位群錨體系，規格分15-12、15、17、19、21五種。

3.2 下部構造

從構造上講，雙肢薄壁墩總體抗彎剛度大、縱向抗推剛度容易調整、箱梁的截面剛度遠大于橋墩的截面剛度，能確保梁對墩的有效嵌固，對高墩的穩定性有利，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、墩底分別設置2.5m、3m實心段，橋墩按高度設置橫隔板。在71m以上的高墩（6、7號墩）的橋墩中間設置一道橫系梁，系梁尺寸為6.25×3×1.5m。主墩承臺平面尺寸為14.7×20.2m，厚4.5m；下設橫橋向4排、順橋向3排共12根2.2m直徑的基樁。

4 結構計算

采用midas Civil軟件對主橋進行了結構計算分析。連續剛構上部構造施工工藝流程為：墩臺基樁等下部構造施工完成后，在主墩托架上澆筑0號塊，其余梁段（除合龍段及邊跨現澆段外）均采用掛籃懸臂對稱澆筑，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到位、梁段澆筑、預應力張拉及掛籃前移等4個主要工況。

成橋運營計算包括恒載、活載、支點沉降、溫度及靜風力等工況，按規范進行最不利荷載組合。汽車荷載采用1.3倍公路I級；溫升梯度為l4℃，溫降梯度為-7℃，整體溫降為-25℃，整體溫升為25℃；基礎不均勻沉降10mm；風荷載計算根據《公路橋梁抗風規范（JTG/T D60-01-2004）》進行計算，設計基本風速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組合并考慮長期效應影響計算，計算結果表明，上緣應力最大值17.7MPa、最小值0.3MPa，下緣應力最大值12.8MPa、最小值2.23MPa，上部結構能滿足規范中全預應力結構正常使用極限狀態和承載能力極限狀態要求。墩底計算裂縫寬度0.11mm，下部結構亦滿足正常使用極限狀態和承載能力極限狀態要求。

5 關鍵技術及對策措施

5.1 穩定性分析

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

為此，采用了mias Civil進行全橋穩定性分析，計算分別分析了第一類穩定和第二類穩定。計算結果表明，施工階段最大雙懸臂狀態和成橋階段恒載作用下結構第一類穩定系數分別為17.754 和32.025，第二類穩定系數也達2.587和4.572，主橋結構具有一定的安全儲備。

5.2 高墩抗風穩定性

通過Midas計算軟件對該橋7#墩最大懸臂狀態進行靜風荷載下的穩定分析。本文列出了上述三種加載方式的穩定系數。

7#墩各加載方式下最大懸臂屈曲表

一般認為穩定系數為6時，結構具有足夠的安全儲備。三種加載方式的臨界穩定系數均為9.8，說明結構在靜風穩定性分析中，風荷載的加載方式對橋梁的穩定性影響很小，對結構穩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

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

5.4 跨中下撓問題

跨中下撓是預應力混凝土梁橋一個較普遍的現象，虎門大橋輔航道橋跨中最大下撓已達到26cm。主因在于混凝土箱梁收縮及徐變、因開裂而導致的箱梁剛度變化、箱梁縱向預應力有效性降低、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彎矩鋼束、采用塑料波紋管、真空輔助壓漿工藝等措施，并規定箱梁所有預應力施工都應在混凝土養護齡期不小于7d，混凝土達到設計強度90%以上才能施工。

6 結束語

高墩大跨連續剛構橋相對技術成熟、適應性強、施工方便、投資省、后期養護費用少，是山區交通項目中具有強競爭力的橋型方案。但同時部分大跨連續剛構也出現了跨中下撓過大及箱梁出現超規范的裂縫等問題。本橋設計在總結國內已建橋梁經驗的基礎上，為避免上述問題進行了系統的研究，并在設計過程中采取了相應的對策，為以后同類型橋梁設計積累了一定的經驗。目前該項目正在施工建設當中。

參考文獻

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范.

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土設計規范.