某山區高墩大跨橋梁設計與探討

吳紅莉

（廣東省交通規劃設計院集團股份有限公司，廣州 510000）

1 工程概況

本橋梁位于淇河鄉村旅游度假區桑園小鎮西側，盤石頭水庫下游約5 km 處，橋位區屬侵蝕剝蝕低山丘陵地貌，地形起伏較大，橋位區地面標高約158.10～256.4 m。根據對橋位地形、地貌、水文、地質等方面建設條件的分析，初步確定的橋位及主跨跨徑，并綜合考慮技術、造價、工期、美觀、施工難易程度等影響。

2 橋位分析

從擬建橋位分析圖（見圖1）來看，區域A、B 均為較為陡峭的山體，后期墩臺施工難度極大。因此，這2 個區域不推薦布置墩臺。另外，區域C 為旅游步道和淇河河岸交接位置，本項目推薦線路在此處具備景觀道改道的空間，C 區域具備布置橋墩的條件。圖D 區域地勢較為平坦且不在淇河河道的影響范圍，該區域也具備布置橋墩的條件。

圖1 擬建橋位分析圖

3 方案比選

主要橋型方案比選如下：

1）連續剛構：預應力混凝土連續剛構橋在120～250 m 跨徑范圍內是一種經濟合理的橋型，更適合于跨越深谷和江河。其設計理論明確，施工工藝成熟、安全，施工場地占用不大，運營期行車舒適、養護費用少[1]。

但連續剛構橋對墩高有一定要求，利用橋墩的柔性以適應結構在建成后的各種變形產生的內力。

本橋梁處于高烈度區且橋墩較高，橋墩具有較大的抗彎、抗扭能力更有利于抗震的設計。連續剛構橋為本橋橋型之一。

2）獨塔斜拉：斜拉橋索塔布置靈活，大跨度橋梁的立面布置通常按照河道或者深谷中心線確定主孔跨度和位置。深槽區及河道偏向北岸，在滿足防洪要求的同時，左半跨跨越淇河河道及北側山體，右半跨跨越河灘及南側山體，對稱的橋跨布置形式與橋位周邊比較協調。但造價高，因此，本項目不推薦。

3）拱橋方案：可考慮設置單跨上承式拱橋，本橋平面位于曲線范圍內，對于上承式拱橋方案，主拱受力不利；其次，橋臺位置處于灰巖發育區，上承式鋼筋混凝土拱橋方案基礎存在一定安全隱患，且位于陡坡施工不便。因此，本項目不推薦。

綜合分析，連續剛構工程造價低，工期短，運營期維養簡單，因此，擬建橋位可考慮在C、D 區域布置主墩的連續剛構方案，通過主跨的調整確保邊跨跨越山體陡峭的A、B 區域后落橋臺。具體設計如下。

1）橋跨布置及結構體系

在淇河河道北側景觀道和河岸交接位置及淇河南岸的河灘區域布置主墩，另外考慮邊跨一次跨越兩側的陡峭山體。主跨142 m 的情況下，兩側邊跨采用0.6 的邊中跨比可以一跨在挖方段落臺。

本方案采用預應力混凝土連續剛構，橋跨布置為85 m+142 m+85 m，邊中跨之比為0.6∶1，橋臺設豎向支承。主梁分幅設計，采用大挑臂翼緣板的單箱單室混凝土變截面箱梁。每幅箱梁頂板寬12.56 m，主墩采用單肢空心墩。基礎為樁基礎。橋型布置和斷面如圖2 和圖3 所示。

圖2 橋型布置立面圖（1∶1 000）

圖3 A-A 斷面圖（1∶200）

2）主梁方案：推薦采用施工較為便捷、成熟的預應力混凝土箱梁。

3）主墩方案：連續剛構常用墩形有單肢薄壁墩、空心薄壁墩、雙肢薄壁墩等。鑒于本項目墩高較高（①號墩66.7 m，②號墩59.9 m），主墩抗震能力滿足要求的前提下，推薦采用矩形薄壁空心墩。

4）連續剛構設計方案綜述：本橋平面分別位于圓曲線(半徑：1 100 m，左偏)，緩和曲線(參數A：432.435，左偏)，緩和曲線(參數A：479.062，右偏)上，縱斷面縱坡2.4%；墩臺徑向布置。

本橋采用預應力混凝土變截面連續剛構，分幅式布置。2幅橋面標準寬度為25.56 m。

橋面橫坡服從道路總體設置。本橋橋跨布置為85 m+142 m+85 m，橋梁總長320 m。

單幅箱梁尺寸：頂板寬12.56 m，底板寬6.5 m，主梁懸臂長度為3.03 m；梁高：根部8.8 m，高跨比為1∶16.1；跨中4.0 m，高跨比為1∶35.5；梁底變化曲線：2 次拋物線；頂板厚度：0.3 m；腹板厚度：0.50 m—0.65 m—0.8 m；底板厚度：根部0.9 m，跨中0.32 m，變化規律同梁底。主梁采用C55 混凝土。

縱向預應力：頂板束采用采用21 根直徑為15 mm 鋼絞線，腹板束采用采用19 根直徑為15 mm 鋼絞線；采用頂板束直接錨固和腹板束下彎相結合的方式克服主拉應力；邊跨與中跨的底板合龍束采用15 根直徑為15 mm 鋼絞線和19 根直徑為15 mm 鋼絞線。

橫向預應力束：采用3 根直徑為15 mm 鋼絞線，單端交錯張拉。豎向預應力束：采用3 根直徑為15 mm 鋼絞線，鋼束張拉采用低回縮二次張拉預應力錨固系統。

主墩采用整體基礎，分幅墩身；橋墩采用單肢矩形空心墩，主墩墩身順橋向寬度為6.0 m，橫橋向寬為6.5 m，壁厚順、橫橋向均為80 cm。采用群樁基礎，樁基采用鉆孔灌注樁。承臺采用矩形承臺，外輪廓尺寸為14.5 m×25.56 m，承臺厚5 m。整幅式承臺下設15 根直徑250 cm 鉆孔灌注樁，樁基按照嵌巖樁設計。

4 主要計算結論

4.1 主梁靜力計算

主梁靜力計算結果：依據空間梁格-桿系理論，采用Midas Civil 2020 軟件進行計算分析，均滿足規范要求。持久狀況正截面抗彎驗算包絡圖如圖4 所示。

圖4 持久狀況正截面抗彎驗算包絡圖

4.2 穩定性計算

1）施工最大懸臂狀態穩定性驗算[2]

施工最大懸臂狀態時按照以下工況驗算其穩定性。

工況1：自重——穩定特征值為16.59；

工況2：自重+橫橋向風力——穩定特征值為16.59；

工況3：自重+縱橋向風力——穩定特征值為16.59；

工況4：自重+梁段自重差+施工不平衡荷載+掛籃（正常）——穩定特征值為16.01；

工況5：自重+梁段自重差+施工不平衡荷載+掛籃跌落（沖擊系數取2.0）——穩定特征值為16.46。

2）成橋穩定性分析

成橋狀態按照以下幾種工況進行穩定性驗算。

工況1：自重+二期荷載——穩定特征值為20.84；

工況2：自重+二期荷載+使高墩頂產生最不利軸力的車輛荷載——穩定特征值為20.14；

工況3：自重+二期荷載+使高墩頂產生最不利彎矩的車輛荷載——穩定特征值為19.91。

由以上結果可知：各工況下的穩定性均滿足規范要求。

4.3 抗震計算

1）抗震設防性能目標

根據淇河大橋主橋結構的重要性，以及震后對橋梁結構的性能要求、修復（搶修）的難易程度，相應于E1 和E2 地震作用，主橋的性能目標如下所示：

E1 地震：結構各構件不受損壞或不經修復可繼續使用。

E2 地震：上部結構和塔身、墩身、基礎等關鍵構件允許發生輕微損傷；支座允許出現剪切失效和移位失效，但保證不落梁；允許發生不影響橋梁正常通行的殘余位移。

2）地震動參數及地震輸入

地震峰值加速度為0.20g，抗震設防烈度為Ⅷ度。根據JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》的5.2.4 條規定，阻尼比取值為0.05。本項目橋梁屬于非規則橋梁，抗震分析采用非線性時程計算方法。

依據空間梁格-桿系理論，采用Midas Civil 2020 軟件進行計算分析，對結構模型進行反應譜分析計算，分析中采用前100 階反應進行組合，模態組合采用多重Ritz 向量法，邊界條件及荷載組合如下：

全橋考慮土+下部結構+上部結構的共同協同工作抵抗縱、橫橋向地震作用。通過土彈簧模擬樁-土相互作用，取動力作用下地基坑力系數m動等于2.5 倍靜力作用下地基抗力系數m靜，真實模擬樁基礎。

基礎考慮沖刷后，并考慮砂土液化的影響。

其中，Ex、Ey、Ez分別為順橋向、橫橋向、豎向地震作用的最大效應[3]。

3）地震作用結構強度驗算

本項目橋梁結構驗算按照E2 地震控制設計，最不利位置為②號墩底順橋向，安全系數為1.35。

5 結語

山區橋梁在設計過程中，應考慮橋位地形、地貌、水文、地質等方面建設條件，初步確定的橋位及主跨跨徑，需綜合考慮技術、造價、工期、美觀、施工難易程度等影響。確定橋型方案后，根據結構特點，考慮靜力驗算，穩定性驗算，且本項目處于高烈度區，應按照規范進行相應的抗震驗算。依據空間梁格-桿系理論建模所得結果，為橋梁方案的確定提供了重要依據。