連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計分析

米春陽

（深圳市寶安規(guī)劃設(shè)計院，廣東 深圳 518101）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋就是主梁連續(xù)、墩梁固結(jié)在一起的一種橋型結(jié)構(gòu)。它既保持了連續(xù)梁的伸縮縫少、行車平順的優(yōu)勢，又保持了T形剛構(gòu)橋不設(shè)支座，施工體系轉(zhuǎn)換方便的特點(diǎn)。在豎向荷載作用下，主梁端部會產(chǎn)生部分負(fù)彎矩，因而減少了跨中的正彎矩，跨中截面也會相應(yīng)減小，跨徑增大，所以橋下凈空大，視野開闊，橋型簡潔明快，景觀效果良好。同時，由于墩梁固結(jié)，整個橋梁連成一體，結(jié)構(gòu)整體性好，抗震性能優(yōu)良，橫橋向抗扭潛力大，結(jié)構(gòu)受力合理。因此，連續(xù)剛構(gòu)橋是一種極富生命力的橋型，已成為現(xiàn)今大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的首選橋型。

本文結(jié)合香港蓮塘/香園圍口岸-土地平整及基建工程-合約三項(xiàng)目的高架橋（簡稱為蓮塘三項(xiàng)目）設(shè)計，對連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計思路、理論、處理方法及施工流程進(jìn)行闡述，討論設(shè)計中的重要細(xì)節(jié)。蓮塘三項(xiàng)目是港深兩地新建的蓮塘口岸第三標(biāo)段，位于香港粉嶺附近。其項(xiàng)目主要特點(diǎn)是：擬建橋位處，橋下道路交織密布，地下管線縱橫交錯，多處橋跨布置和梁高設(shè)置空間受限，諸多因素制約著橋型布置。為此，經(jīng)過反復(fù)研究論證后，將原設(shè)計方案的連續(xù)梁橋優(yōu)化為連續(xù)剛構(gòu)橋型，以便在盡量保持原有建筑物現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上布置橋跨，解決橋跨大、跨長零碎、線形復(fù)雜的問題，同時也響應(yīng)了香港要求減少橋梁運(yùn)營期支座維修和更換對交通影響的倡導(dǎo)。該項(xiàng)目有A、B、C、D四條高架橋，總長達(dá)2.768km，主要連接粉嶺公路至龍山隧道南端出口，優(yōu)化后方案均為連續(xù)剛構(gòu)橋。現(xiàn)選B1橋概況予以介紹。B1橋?yàn)?跨310m長，橋跨布置為（57.0+65.0+67.4+62.6+58.0）m，橋?qū)挒?.2～14.1m，上部結(jié)構(gòu)采用斜腹板式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橫截面為單箱單室，梁高2.8m。橋墩采用薄壁變截面矩形墩，主墩截面順橋向墩底標(biāo)高為1.4m，橫橋向墩底標(biāo)高為2.5m。主墩樁基礎(chǔ)采用直徑為2.5m的鉆孔灌注樁，橋型立面如圖1所示。

圖1 B1橋立面圖（單位：mm）

1 設(shè)計要點(diǎn)

連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，下面結(jié)合B1橋設(shè)計過程，分析討論連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計要點(diǎn)及處理方法。

1.1 墩梁剛度比及墩柱結(jié)構(gòu)形式

連續(xù)剛構(gòu)橋多選用箱型主梁和柔性薄壁橋墩相結(jié)合，橋墩與梁體彎矩的分配取決于兩者的相對剛度，而梁體收縮、徐變及溫度應(yīng)力也與墩柱的抗推剛度直接相關(guān)。合適的剛度比既能滿足全橋的縱向剛度，又能改善梁體內(nèi)力分配，充分發(fā)揮材料的受力性能，達(dá)到節(jié)約投資，增大跨徑的目的。因此，確定合適的墩梁截面及剛度比是連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計的重要內(nèi)容。蓮塘三項(xiàng)目連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計中，首先根據(jù)荷載估算和同類項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)初步擬定主梁和橋墩截面，通過MIDAS Civil有限元分析程序建立三維實(shí)體模型進(jìn)行施工階段、運(yùn)營狀態(tài)模擬分析。然后，根據(jù)模型分析結(jié)果，調(diào)試主梁與橋墩截面尺寸及剛度比例，以達(dá)到初步的理想受力效果，即主梁在滿足施工、運(yùn)營各階段和預(yù)應(yīng)力構(gòu)造要求的前提下選取梁體截面的最小尺寸，而墩柱截面尺寸除滿足結(jié)構(gòu)以及施工、運(yùn)營階段的最小縱、橫向剛度要求外，盡可能使其具有較大的抗彎剛度和較小的抗推剛度。按此方法，蓮塘三項(xiàng)目B1橋最終確定的主梁和墩柱截面尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 1/2中跨中、1/2中橋墩截面示意（單位：mm）

蓮塘三項(xiàng)目橋梁設(shè)計中，對于相鄰兩聯(lián)橋的伸縮縫處，參照了橋梁主墩設(shè)計原理，采用了設(shè)置在同一基礎(chǔ)上中心間距為2.4m的薄壁墩與各自主梁固結(jié)的形式（如圖1中B1橋AB6橋墩）來處理橋梁縱向變形問題，其墩柱基礎(chǔ)形式如圖4所示。該做法較新穎，遵循項(xiàng)目整體設(shè)計思路，計算分析結(jié)果顯示，受力也滿足設(shè)計要求，值得推崇。

圖3 AB2/AB5墩底截面示意圖（單位：mm）

圖4 相鄰兩聯(lián)橋伸縮處墩柱基礎(chǔ)示意圖（單位：mm）

1.2 次內(nèi)力因素的處理

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種超靜定結(jié)構(gòu)，混凝土收縮、徐變、溫度變化、墩臺基礎(chǔ)不均勻沉降等因素都會引起次反力，產(chǎn)生次內(nèi)力，極大地影響結(jié)構(gòu)受力狀況。蓮塘三項(xiàng)目橋梁設(shè)計時，除說明中對混凝土的材料組成和配合比、構(gòu)件養(yǎng)護(hù)條件等內(nèi)容作出特別要求外，認(rèn)為節(jié)段拼裝之前混凝土完成收縮，橋型結(jié)構(gòu)分析中僅考慮徐變效應(yīng)。按照BS5400 Part 4附錄C的相關(guān)內(nèi)容，在模型分析時定義梁體混凝土徐變函數(shù)，通過模擬施工過程以達(dá)到準(zhǔn)確反映徐變對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。由于連續(xù)剛構(gòu)橋縱向上橋墩的水平約束，梁體整體溫度變化和截面內(nèi)梯形溫差都會對梁體內(nèi)力產(chǎn)生較大影響。蓮塘三項(xiàng)目橋梁依據(jù)項(xiàng)目設(shè)計要求取橋梁有效溫度變化范圍為0～36℃，依據(jù)SDMHR中2.4.3條款進(jìn)行了溫度荷載分析和加載，采用軟件分析了溫度變化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響程度。對于基礎(chǔ)的不均勻沉降，考慮到橋墩基礎(chǔ)均采用嵌巖樁，故采用10mm強(qiáng)制位移來模擬混凝土基礎(chǔ)彈性變形及樁底沉渣影響。

1.3 施工撓度控制設(shè)計

連續(xù)剛構(gòu)橋采用懸臂施工，撓度的計算和控制尤為關(guān)鍵，它不僅影響橋梁合龍精度，而且影響成橋線形與設(shè)計線形的吻合程度，故必須做好施工控制設(shè)計。撓度計算的影響因素很多，主要有計算模型、自重、混凝土的彈性模量、收縮及徐變、日照和溫度變化、預(yù)應(yīng)力大小、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、施工荷載和橋墩變位等因素。需要將這些因素綜合考慮進(jìn)行計算，計算內(nèi)容有：

（1）各節(jié)點(diǎn)斷面在各施工階段的撓度和累積撓度；

（2）各節(jié)點(diǎn)斷面在成橋狀態(tài)下的累積撓度；

（3）各節(jié)點(diǎn)斷面最大、最小活載撓度。

根據(jù)各跨活載撓度的計算結(jié)果、跨徑大小、施工安排、所用材料等，設(shè)置高于設(shè)計高程的預(yù)拱度。理論拼裝高程僅是理論計算數(shù)據(jù)，各種影響系數(shù)隨著施工時間、天氣情況而變化，其系數(shù)取值與實(shí)際情況存在差異。因此在施工過程中，必須結(jié)合施工的實(shí)際情況進(jìn)行模擬計算，并對各節(jié)點(diǎn)的斷面在各施工階段的撓度變形進(jìn)行觀測，合理地對各節(jié)點(diǎn)理論拼裝高程進(jìn)行調(diào)整，以期達(dá)到成橋線形與設(shè)計線形的良好吻合。蓮塘三項(xiàng)目橋梁運(yùn)用三維實(shí)體模型進(jìn)行全橋施工階段仿真分析模擬，按照階段的推進(jìn)，橋梁結(jié)構(gòu)形式、支承約束條件、荷載作用等發(fā)生的變化逐一分析，并充分考慮了預(yù)應(yīng)力荷載效應(yīng)，最終按照分析結(jié)果確定預(yù)拱度、節(jié)段理論拼裝高程，以方便施工過程中按實(shí)際情況進(jìn)行核對和校正。

2 建立模型

模型建立須遵循的原則有：

（1）計算模型盡量符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，以保證計算分析結(jié)果的真實(shí)性；

（2）保證體系的幾何不變性，特別是體系轉(zhuǎn)換過程；

（3）施工分析中的荷載、邊界條件的設(shè)置符合實(shí)際施工程序。

鑒于連續(xù)剛構(gòu)橋型的上部箱梁與下部結(jié)構(gòu)固結(jié)于一體，為了得到真實(shí)的上、下部結(jié)構(gòu)相互作用的全橋結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，設(shè)計時采用三維整體模型進(jìn)行全橋模擬分析。

模型建立時處理要點(diǎn)：

（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)、實(shí)際施工過程及計算精度要求，主梁單元以約2.5m的長度劃分節(jié)段；

（2）由于程序計算結(jié)果是以節(jié)點(diǎn)位移和內(nèi)力形式輸出的，節(jié)點(diǎn)位置主要考慮了設(shè)計需要驗(yàn)算的截面以及影響線的作用點(diǎn)，包括各關(guān)鍵控制界面處、構(gòu)件交接點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)、截面突變處及施工縫處；

（3）蓮塘三項(xiàng)目中B1橋除在橋臺處設(shè)置盆式橡膠支座外，其余均為墩梁固結(jié)，故模型中橋梁支撐位置的主梁截面均假設(shè)為完全剛性，墩頂與箱梁中性軸之間用剛壁模擬；

（4）對于埋置于地下的樁基，則采用有限單元法桿件單元模擬，將土假設(shè)為彈性介質(zhì)，周圍土體對樁基的約束，使用間距為1.0m、縱橫向剛度均為750Z kN/m（750是根據(jù)實(shí)際地質(zhì)勘察條件確定的，Z為約束點(diǎn)的埋置深度）的彈簧進(jìn)行模擬。

模型施加荷載主要包括恒載（包括混凝土的收縮徐變）、活載、基礎(chǔ)沉降、溫度荷載（含整體溫變和溫度梯度）、汽車制動力、風(fēng)荷載等。由于香港部分延用了英國規(guī)范，現(xiàn)對香港車載計算予以介紹。按照香港《Structures Design Manual for Highways and Railways》規(guī)定，車載分為HA、HB兩種。其中HA計算式為：L≤70m，W=400×(1/L)0.67；70m＜L≤1400m，W=400×(1/L)0.67（其中L為加載長度，W為每名義車道上每米的車載值），同時考慮集中荷載120kN/車道。HB車載是寬度為3.5m，長度可根據(jù)最不利狀況選擇9.6m、14.6m、9.6m、24.6m或者29.6m的車輛荷載，其軸載為450kN，輪載為112.5kN，總重為1800kN。

蓮塘三項(xiàng)目中B1橋的三維實(shí)體模型如圖5所示。

圖5 B1橋的三維實(shí)體模型

3 設(shè)計分析

設(shè)計分析是根據(jù)模型運(yùn)行結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析、處理，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計橋梁桿件。

3.1 主梁縱向計算

B1橋分析結(jié)果顯示：主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計主要由荷載組合（恒載+預(yù)應(yīng)力+溫度+汽車活載+人群荷載）控制。縱向計算首先按模型中正常使用極限狀態(tài)下正負(fù)彎矩、剪力，配置主梁頂部、底部預(yù)應(yīng)力鋼索，并通過調(diào)整索的數(shù)量和位置來控制箱梁橫截面上應(yīng)力大小，確保在使用荷載作用下各截面均不得出現(xiàn)拉應(yīng)力，然后再根據(jù)承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)確定普通鋼筋數(shù)量，也就是按結(jié)構(gòu)使用性能要求確定預(yù)應(yīng)力鋼索數(shù)量，極限承載力的不足部分由普通鋼筋來補(bǔ)充。蓮塘三項(xiàng)目橋梁主梁采用了C50混凝土和公稱直徑為15.7mm、強(qiáng)度級別為1860MPa的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。鋼索主要布置如圖1所示，體內(nèi)索及張拉控制力為13束/2720kN，體外索及張拉控制力為22束/4604kN、31束/6750kN兩種形式。值得一提的是，對于曲線鋼束，為防止外繃破壞，采取了增加保護(hù)層厚度、加強(qiáng)管道定位鋼筋以及盡量減少和縮短通入腹板下彎的措施。

3.2 主梁橫向計算

箱梁橫向內(nèi)力計算，采用SAP/2000軟件建立彈性支承平面框架模型進(jìn)行計算，對汽車荷載按規(guī)范要求計算縱向荷載分布寬度，然后換算成每延米的集中荷載作用在框架上，計算中同時考慮了溫度影響和預(yù)應(yīng)力的作用。

3.3 墩柱基礎(chǔ)內(nèi)力

連續(xù)剛構(gòu)橋受力介于梁與拱之間，模型結(jié)果顯示，對上部結(jié)構(gòu)嵌固作用較大的墩柱基礎(chǔ)上產(chǎn)生較大水平剪力，隨著墩高增大，剛度減小，主梁恒載下的彎矩圖逐漸接近連續(xù)梁，同時墩底彎矩也驟然降低，反之亦然。可見，連續(xù)剛構(gòu)橋墩柱基礎(chǔ)不僅承受豎向壓力，還承受較大的水平荷載。因此，蓮塘三項(xiàng)目橋梁的部分矮墩短樁基礎(chǔ)直徑達(dá)到2.5m，嵌巖深度超過6m，均由水平剪力控制。

4 施工工藝流程

蓮塘三項(xiàng)目橋梁施工采用節(jié)段預(yù)制、懸臂拼裝工藝。

4.1 梁段預(yù)制

節(jié)段預(yù)制采用占地少，適應(yīng)性強(qiáng)的短線法，即在同一地方用固定的模板將所有節(jié)段預(yù)制出來，每次通過調(diào)整匹配節(jié)段相對于待澆節(jié)段的空間位置來保證梁體的設(shè)計線形。主要生產(chǎn)流程為：

（1）在樣板內(nèi)組裝鋼筋骨架；

（2）配置鋼筋骨架、放入預(yù)應(yīng)力管道；

（3）將鋼筋骨架吊裝到模板內(nèi)；

（4）調(diào)整澆筑設(shè)備、定位及模板密封處理；

（5）澆筑混凝土并抹光表面；

（6）混凝土養(yǎng)護(hù)；

（7）脫模、匹配節(jié)段移至存放場，新澆節(jié)段成為匹配節(jié)段。

4.2 拼裝方法

蓮塘三項(xiàng)目的B1橋選用節(jié)段橋面起吊拼裝法，主要流程為：

（1）將節(jié)段運(yùn)至橋墩旁；

（2）使用起吊設(shè)備將節(jié)段吊起；

（3）使用平車將吊著節(jié)段的起吊設(shè)備沿軌道運(yùn)至懸臂位置；

（4）使用起吊設(shè)備提升節(jié)段到最終高程并進(jìn)行拼裝。

節(jié)段拼裝時，綜合考慮節(jié)段自重、預(yù)應(yīng)力、徐變、墩柱撓曲、重力在接縫處引起的彈性和非彈性形變以及施工幾何誤差等因素，按組合撓度的計算值校對設(shè)計理論高程，以控制懸臂節(jié)段的位置。

4.3 接頭處理

懸臂拼裝關(guān)鍵在于預(yù)制節(jié)段接頭的處理，為保證預(yù)制節(jié)段對接并滿足受力要求，結(jié)合面設(shè)計了許多凹凸的剪力鍵構(gòu)造（見圖2），并涂以耐久性好的環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑，待節(jié)段拼裝到位后，再施加預(yù)應(yīng)力。考慮到這種干接頭的施工特點(diǎn)，接縫必須相互密貼，結(jié)合面上的剪力主要由摩阻力抵抗，因此，配置了足額的體外預(yù)應(yīng)力索，使各結(jié)合面永遠(yuǎn)受壓且保證不產(chǎn)生相對滑動。

5 結(jié)語

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種經(jīng)濟(jì)合理、施工安全可靠的橋型，與其他橋型相比，具有橋跨布設(shè)能靈活適應(yīng)自然條件，施工方便可行，行車和抗震效果良好等獨(dú)特優(yōu)勢，符合安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀等設(shè)計原則，值得研究和推廣。

[1]Highway Department Hong Kong.Structures Design Manu?al for Highways and Railways(2006)[M].Hong Kong:Pub?lications Sales Unit,2006.

[2]馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京：人民交通出版社，2001.