八家臺1號大橋連續剛構設計

林杰 潘寶 朱曉宇

關鍵詞 山區橋梁;連續剛構;結構設計;結構計算

中圖分類號 U448.23;U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）04-0148-03

0 概述

連續剛構橋通過變化的梁高以及墩梁固結的構造，可使梁體承受較大的正負彎矩，達到整體受力性能良好的目的[1]，墩梁固結的構造可使主墩處不設支座，并減少伸縮縫數量，增加行車舒適度，此外還具有順橋向抗彎剛度大、施工體系轉換方便，對混凝土的收縮、徐變及結構抗震有利等優點[2]，成為我國大跨度橋梁的主導橋梁形式[3]。另外連續剛構在施工方式上，借鑒T形剛構橋在懸臂法施工中保持體系平衡的優點，可廣泛地應用于地形條件受到限制的山區橋梁建設中，成為山區公路跨越不良地形的首選[4]。

1 項目概況

八家臺1號大橋位于湖北省恩施州咸豐縣活龍坪鄉八家臺村附近，跨越一處深U型沖溝。橋梁平面全范圍位于直線段內，縱面均位于坡度為+2.3%的單向上坡段內。橋跨跨徑布置為（60+110+60）m，采用變截面的預應力混凝土連續剛構橋，主橋直接銜接路基段，無引橋部分，橋面處標高約為910 m，1號墩為最高墩，墩高達到68 m?？傮w布置圖如圖1所示：

2.1 地形地貌

橋址區地勢起伏較大，屬構造剝蝕、溶蝕低山地貌，多為旱地、山林，橋梁橫跨深切“U”型河谷，兩側山體地形較陡峭，下部地形坡度25°～40°，上部形成近直立的陡坎，地表植被為農作物、灌木等。

2.2 地質構造

擬建場區隸屬于揚子準地臺上揚子臺坪（Ⅱ1）八面山臺褶帶（Ⅱ13）恩施臺褶束（Ⅱ13-2）四級構造單元，構造運動目前屬于間歇期，隱伏斷裂構造發震活動較弱，近期無中、強震記錄;第四系以來，新構造運動主要表現為周期性的波動和階梯式上升，地殼相對平靜，區域穩定性較好，不會對擬建橋梁產生太大影響。

2.3 橋墩臺穩定性評價

橋梁跨溝谷而設，橋臺均位于斜坡頂部，地形坡度約5°～10°，地勢相對較平緩，自然狀態下穩定性較好。橋址區巖層產狀275°∠4°，存在三組主要節理：L1產狀353°∠86°，L2產狀61°∠75°，L3產狀193°∠75°，根據坡向與結構面組合關系，巖層面較平緩，穩定性較好，節理面產狀陡峭，橋臺邊坡開挖后在臨空面無剪出口，但存在崩落、掉塊的可能;橋墩擬采用樁基礎，整體穩定性較好，但需考慮巖溶對樁基穩定性的影響。

3 設計標準及參數

（1）設計行車速度為40 km/h。（2）橋梁設計荷載為公路-I級。（3）橋面寬度：12 m，整體式路基（橋梁與路基同寬度）。橫斷面為對稱布置：0.5 m的防撞護欄+1.5 m的人行道+8 m的行車道）+1.5 m的人行道+0.5 m的防撞護欄，共計12 m。（4）設計基準期：100年。（5）地震烈度：該地區的地震動峰值加速度為0.05 g。（6）設計安全等級：一級。（7）橋面橫坡：雙向2.0%。

4 主要材料

4.1 混凝土

主梁因應力水平較高，選用C55混凝土，主墩墩柱及蓋梁選用C40混凝土，承臺及樁基選用C30混凝土。

4.2 普通鋼筋

全橋選用HRB400和HPB300兩種牌號的普通鋼筋，其材質、性能指標需符合相關規范的要求。當選用的鋼筋直徑大于或者等于12 mm時，應采用HRB400規格的鋼筋，其余均采用HPB300的鋼筋。

4.3 預應力鋼筋

主橋縱向預應力鋼束、主橋箱梁橫向及豎向預應力鋼束，均采用公稱直徑為15.2 mm的預應力鋼絞線，其性能應符合國家標準《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224—2014）對于高強度低松弛鋼絞線的要求，鋼絞線的抗拉強度標值達到1 860 MPa，彈性模量為1.95×105 ?MPa，松弛率需小于0.035。

5 結構設計

5.1 上部結構設計

箱梁上部構造為（60+110+60）m預應力混凝土連續剛構。箱梁的尺寸如下：高度從跨中至根部按二次拋物線變化，跨中梁高3.0 m，根部梁高6.8 m。頂板厚28 cm，底板厚度從跨中至根部由32 cm按二次拋物線變化72 cm，腹板從跨中至根部采用45 cm、55 cm、70 cm三種腹板厚。橫橋向頂板寬12.0 m，底板寬6.0 m，翼緣板懸臂長度3.0 m。根部設置兩道橫隔板，每道橫隔板的厚度均為1.5 m，中跨跨中設置一道橫隔板，厚度為0.3 m，邊跨梁端設一道厚度為1.2 m的端橫隔板。

箱梁0號節段長12 m，邊、中跨合龍段長均為2 m，邊跨現澆段長為4 m。主梁采用懸臂對稱澆筑的施工方式，懸澆的總長為48 m，每個懸澆“T”，按照縱向對稱原則設計，梁段長度從根部至跨中，分別為8×3.5 m+5×4.0 m，共13個節段。懸澆節段最大重量為1 470 kN，掛籃自重為700 kN。

5.2 下部結構設計

1、2號主墩的墩身為雙肢等截面的實體墩，矩形斷面，截面尺寸1.5×6.0 m（順橋向×橫橋向），并在一半墩高附近設置一道橫系梁，尺寸1.5×6.0 m。承臺厚度達4.0 m，基礎采用樁基礎，按端承樁設計，選用4根樁徑2.4 m的鉆孔灌注樁，縱、橫向均按兩排布置。

0、3號橋臺為重力式輕型U橋臺配擴大基礎。

5.3 主梁預應力設計

主梁三向預應力體系，按全預應力混凝土進行設計。預應力鋼束錨下的張拉控制應力為1 395 MPa，縱向預應力錨固體系為大噸位群錨，管道采用預埋鍍鋅金屬波紋管，輔以真空壓漿。豎向預應力考慮到預應力損失，要求采用二次張拉。

6 結構計算分析

6.1 靜力計算

采用空間有限元軟件Midas Civil 2018對八家臺1號大橋進行仿真分析，結構離散后的模型如圖2所示。

施工階段計算須結合具體的施工流程進行，八家臺1號大橋的施工流程為：先進行下部結構施工，待下構施工完成后，在主墩上搭設托架，隨后在托架上澆筑0號塊，剩下的節段（除合龍段）均以掛籃懸臂澆筑法對稱施工，而后張拉相應的預應力鋼束，直至最大懸臂狀態。之后按先邊跨合龍、后中跨合龍的順序依次作業，最后施工橋面鋪裝。其中每個節段的懸澆主要包括掛籃安裝、梁段澆筑、張拉預應力并灌漿、掛籃前移四個主要工況，須按此順序逐步計算主梁各截面內力、應力和位移是否滿足要求。

而運營階段計算則需考慮包括結構恒載、上部活載、基礎沉降、溫度及靜風力等荷載，并按規范進行荷載組合，驗算最不利工況下是否滿足要求，并據此設計截面的鋼束 [5]。

6.2 計算結果

綜合考慮短暫狀況與持久狀況時的各種工況，荷載包括結構自重、施工荷載、預應力、預應力次效應、收縮、徐變次效應、非線性溫差、汽車及人群荷載、基礎沉降等作用，對箱梁施工、使用階段主梁各截面的內力、應力及位移，進行了計算分析，并按相關規范進行驗算。計算結果如圖3～圖4所示。

主要結論如下：

（1）持久狀況承載能力極限狀態強度驗算滿足規范的要求。

（2）短暫狀況，主梁頂部混凝土正截面壓應力為0.3 MPa，主梁底部混凝土正截面壓應力為0.1 MPa滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）第7.2.8條的規定。

（3）使用階段混凝土正截面壓應力及使用階段受拉區預應力鋼筋的最大拉應力，均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）第7.1.5條規定。

（4）在正常使用極限狀態作用短期效應組合時，混凝土正截面抗裂滿足全預應力的要求，并符合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）第6.3.1條的規定。

（5）正常使用階段短期效應組合時主梁截面的主拉應力最大值滿足斜截面抗裂要求，并符合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第6.3.1條的規定[6]。

6.3 高墩穩定分析

該橋最高主墩為68 m，高墩穩定分析主要分析高墩整體屈曲穩定性對施工、運營階段的影響，必須確保其安全性。

施工階段穩定性分析主要考慮結構恒載及橫橋向的靜風荷載。最不利工況出現在T構澆筑的最大懸臂狀態，此時，主梁尚未合龍，橋梁的穩定性有待驗證。如圖5失穩模態為順橋向主墩壓屈失穩，穩定臨界系數為11.4，遠大于4，滿足規范的要求。

通過簡要闡述八家臺1號大橋項目概況、基礎資料、設計及計算等方面內容，說明針對山區公路跨越U型及V型沖溝、峽谷等不良地形時，采用連續剛構橋，具有受力性能好、結構穩定等優點，80～150 m中等跨徑連續剛構橋可作為首選橋型。八家臺1號大橋建設進展順利，施工圖設計已經完成，此外還獲得了主管部門的批復，目前已進入施工階段。文章提供的詳細數據及結構計算結果，可以為同類型橋梁工程設計提供一定的參考。

參考文獻

[1]張謙， 林杰， 簡函， 等. 席子河大橋連續剛構設計[J]. 科學技術創新， 2019（9）： 113-114.

[2]徐俊海， 曾卓. 翟家河大橋連續鋼構設計[J]. 中國水運， 2013（6）： 261-263.

[3]陳寶春. 橋梁工程[M]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[4]彭元誠， 汪金育， 廖朝華， 等. 山區大跨度連續剛構橋[M]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[5]公路橋涵設計通用規范： JTGD60—2015[S]. 北京：人民交通出版社， 2015.

[6]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范： JTGD60—2004[S]. 北京：人民交通出版社， 2004.

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