大跨單肢矮墩連續剛構橋設計

劉 巖

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056）

1 工程概況

金山大橋跨越福州閩江，為福州市區連接倉山區與臺江區的重要通道。與連續梁相比，連續剛構可以節省支座費用，后期維護也方便。梁高在同等跨度下可以比連續梁低，具有外形尺寸小、橋下凈空大的特點。從通航、美觀性、兩岸接線和交通組織便利等因素考慮，新建金山大橋主梁采用（60+110+60）m變高度混凝土連續剛構箱梁。

該橋為城市主干路，橋址處閩江通航標準Ⅳ級，場地環境類別為Ⅱ類，動峰值加速度0.10g，地震基本烈度7 度。地質層為第四系沖洪沖淤積層，覆蓋層厚度較大。

2 總體布置

新建金山大橋跨江主橋采用孔跨布置為（60+110+60）m 預應力混凝土連續剛構橋，邊中跨比0.55，如圖1 所示。梁底下緣采用半徑為499.23 m圓曲線變化。主橋中支點梁高5.2 m，根部梁高為主跨徑的1/21；跨中梁高2.4 m，跨中梁高為主跨徑的1/46。主墩采用板式單肢墩，墩高9.45 m，基礎采用鉆孔灌注樁。

圖1 新建金山大橋連續剛構立面布置（單位:m）

3 主要結構設計

3.1 主梁設計

新建金山大橋主梁采用C60 混凝土。主橋中支點梁高5.2 m，中支點梁高為主跨徑的1/21；跨中梁高2.4 m，跨中梁高為主跨徑的1/46，因主梁梁高較小。為滿足抗剪截面需求，主梁采用單箱雙室斜腹板箱形截面（見圖2），頂板寬19.5 m，底板變寬11.175～9.0 m，兩側挑臂各長3.5 m，頂面設1.5%單向橫坡。頂板標準厚度0.26 m，倒角根部和翼緣根部厚0.6 m，底板中跨和邊跨標準厚0.28 m，過渡至根部厚度為1.3 m。中、邊腹板厚度0.45～1.0 m。主梁0# 節段長13 m，邊跨現澆段長5.9 m，中跨合龍段長2.0 m。主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系。

圖2 箱梁截面（單位：cm）

主梁計算時考慮樁- 土相互作用、中跨合龍施加頂推力、掛籃懸臂施工齡期、基礎沉降等工況對結構的影響，進行包絡計算。正截面強度安全系數最小值1.22。斜截面抗剪承載能力安全系數最小值1.32。正截面抗裂應力計算，截面上下緣不出現拉應力。斜截面混凝土的主拉應力最小值-0.47。主梁上緣最大壓應力18.2 MPa，下緣最大壓應力14.3 MPa。混凝土最大主壓應力12.3 MPa。考慮荷載長期效應增長系數1.4 后，主梁跨中活載最大撓度為49.7 mm，小于L/600，主梁各項計算結果均滿足規范要求。

3.2 下部結構設計

連續剛構橋線剛度大部分由主墩提供。為滿足強度和溫度變形要求，矮墩大跨連續剛構橋的主墩一般采用雙肢薄壁墩。本項目設計時為滿足兩岸接線要求，橋面設計高程受限。同時，橋下需滿足通航凈高要求，扣除主梁高度后主墩高度不能超過10 m。為滿足橋下通航凈寬和美觀要求，主墩需采用單肢實體墩。墩身設計既要能降低橋墩抗推剛度，又要能滿足橋墩承載力要求。因此，主墩是該橋設計的重點與難點。設計時需注意四點：（1）縱向抗推剛度應能夠適應混凝土收縮徐變、溫度引起的縱橋向變形；（2）結合地質條件選擇合理基礎方案，降低基礎剛度；（3）墩身剛度的選擇需考慮穩定性、材料強度、截面布筋的要求；（4）明確墩身內力組成對應采取措施，改善墩身受力性能。

3.2.1 墩身內力分析

設計時首先對樁土效應和墩身內力影響因素兩方面進行分析。

設計時將樁周土作用看成線彈性土彈簧，用“m法”模擬樁土共同作用。從表1 可看出，樁土中共作用工況與墩底固結工況相比，墩身內力、位移、應力差別很大。因此，設計時需考慮樁土共同作用效應，同時需對樁基布置方案對比，與減小基礎剛度。

表1 主墩墩身內力結果對比

考慮樁土效應后，從表2 可以看出，混凝土收縮徐變對主墩內力影響最大，其次是整體升（降）溫和上部結構預應力產生的次內力。設計時要考慮上部結構預應力對下部結構受力影響，同時考慮中跨合龍施加頂推力等措施，改善混凝土收縮徐變影響，改善墩身受力性能。

表2 主墩內力分項統計

3.2.2 樁基方案比

因連續剛構橋墩矮, 結構對混凝土收縮徐變、溫度變化、預應力次內力等非常敏感。基礎剛度直接影響橋梁整體計算結果，結構計算時需考慮樁土共同作用。同時，基礎又需要具有一定的抗彎剛度，以滿足懸臂施工時的安全。設計研究了3 種樁基布置形式：（1）6 根φ2.0 m 鉆孔樁，樁長約95 m；（2）6 根φ2.2 m 鉆孔樁，樁長約90 m；（3）13 根φ1.5 m 鉆孔樁，樁長約65 m。各方案平面布置如圖3 所示。

圖3 主墩基礎方案平面布置圖（單位：cm）

樁基方案對比見表3。從基礎剛度、結構受力條件和基礎工程量等方面比較，方案一主墩基礎采用6根φ2.0 m 鉆孔灌注樁，基礎剛度最小、樁基工程量較小，是最為合理的。

表3 樁基方案對比

3.2.3 橋墩尺寸確定

橋墩采用單肢實心墩，墩身剛度減小對上、下部受力均有利，單墩矩形截面尺寸確定是關鍵，減小墩身尺寸可降低橋墩抗推剛度，可改善橋墩和基礎受力，但會使墩身抗彎剛度減少，橋墩承載力不足。同時，為改善小截面尺寸橋墩的受力,提高施工階段穩定性和結構抗震性能，墩身設豎向預應力，并在中跨合龍施工時施加頂推力。

計算時考慮樁土相互作用，采用推薦基礎剛度，對墩方案，選取2.2 m、2.4 m、2.6 m 三種墩寬進行計算對比分析。中跨合龍頂推力為3000 kN 時，運營階段墩身應力見表4。

表4 運營階段墩身應力統計

由表4 可以看出，通過施加墩身預應力、中跨合龍頂推力，2.4 m 寬墩身結構滿足預應力混凝土結構A 類構件的設計要求，墩寬減小或增大需提高合龍頂推力或配筋率，增加設計困難和施工難度。

3.2.4 主梁中跨合龍施工與墩身應力調整

中跨合龍通過施加頂推力，可有效改善墩身和墩頂處主梁受力[1]。改善成橋后混凝土收縮徐變引起的主梁下撓見表5。不施加合龍頂推力或合龍頂推力施加過大，會造成墩頂水平位移過大，跨中下撓或上拱位移過大，對橋梁受力不利。本橋合龍頂推力確定為3000 kN，運營階段橋墩基本保持垂直狀態，主梁跨中基本無下撓，并改善了主梁和主墩的受力性能。

表5 不同頂推力墩身應力、位移及跨中撓度對比

經過對比分析，主墩墩身采用預應力混凝土板式橋墩，墩身橫橋向寬度9.0 m，順橋向寬度2.4 m，主墩墩高9.45 m，采用C50 混凝土。墩身順橋向兩側共設置100 根JL32 高強度精軋螺紋預應力鋼筋，JL32 預應力精軋螺紋鋼筋fpk=930 MPa。基礎采用6根直徑φ2.0 m 鉆孔灌注樁，呈梅花型布置，采用水下C30 混凝土。承臺采用多邊形承臺，輪廓尺寸為18.4 m×8.5 m×3.5 m，采用C40 混凝土，如圖4 所示。

圖4 主墩結構圖及墩身預應力平面布置圖（單位：cm）

4 結構動力特性與抗震性能分析

成橋狀態振型特點見表6，各振型的自振周期均未超過1 s，結構動力性能良好[2]。

表6 成橋狀態結構動力特性

E2 地震作用下，主墩和樁基縱、橫橋向最不利截面彎矩小于截面等效屈服彎矩見表7。主橋結構滿足抗震性能要求。

表7 E2 地震作用下最不利軸力下主橋主墩和樁基屈服彎矩驗算

5 穩定性分析

本橋對施工階段與使用階段穩定分析得出,懸臂施工階段為穩定最不利階段[3]。驗算考慮主墩兩側混凝土節段澆筑相差1/2 節段、掛籃移動不同步、施工臨時荷載不同步和機具動力系數、掛籃模板墜落、梁體自重不均勻、兩側風荷載相差50%等工況。施工階段一階縱向失穩，穩定特征值為24.2，該橋一類穩定安全系數大于4，且安全度較高。

6 結語

通過對比分析與結構驗算可知，大跨度矮墩連續剛構橋設計，考慮“樁- 土- 結構”的相互作用[4]；考慮中跨合龍時施加頂推力等施工措施；墩身選擇合理的截面尺寸，橋墩可選擇單壁墩結構。新建金山大橋綜合考慮受力與自身承載力要求，選擇了合適的基礎形式和橋墩尺寸。該橋設計合理、各項指標滿足規范要求，可為類似橋梁的設計提供一定的參考。