高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)分析

蔡建明，李 玲，朱祿培，李 輝

（中咨規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，江西 南昌 330000）

綜合考慮適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性等因素可知，在現(xiàn)有橋梁形式中，高墩剛構(gòu)橋具有極為突出的優(yōu)勢，但要明確一點(diǎn)，即剛構(gòu)橋出現(xiàn)跨中下?lián)稀⑾淞洪_裂等問題的概率較其他類型橋梁更大，要想降低上述問題發(fā)生率，關(guān)鍵是要對高墩各方面性能引起重視，根據(jù)動(dòng)力、靜力行為，確定切實(shí)可行的施工方案，確保各道工序可按照預(yù)期計(jì)劃推進(jìn)，且施工質(zhì)量能夠達(dá)到理想水平。

1 高墩大垮連續(xù)剛構(gòu)橋概述

1.1 箱梁截面

項(xiàng)目上行線為42 m+70 m+42 m 的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，其中根部高度為4.0 m、跨中高2.0 m；下行線為32 m+54 m+32 m 的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，其中根部高度為3.0 m、跨中高為1.6 m。在具體設(shè)計(jì)中，使用支架法分段方案，施工節(jié)段（除合龍段）長度為3～4 m，上、下行線分別是8 m 與6 m，中跨合龍段為2 m。考慮到箱梁底板不僅要承受箱梁重量，還會(huì)受到施工荷載影響，為保證其達(dá)到項(xiàng)目所提出受壓要求，還要預(yù)留出一定空間，富余空間與墩頂梁高之比以1∶11 為最佳。

根據(jù)縱向鋼筋、橫向彎矩所提出要求，對頂板厚度加以確定，底板厚度以200 mm 為最佳，懸端底板整體厚度則應(yīng)當(dāng)達(dá)到160 mm 左右。此外，還要對翼緣板給板內(nèi)彎矩所造成影響引起重視，對于需要布設(shè)橫向鋼筋的項(xiàng)目，可在條件允許的情況下盡量增加翼緣板面積，并通過增設(shè)斜撐、勁肋的方式，對翼緣板程度進(jìn)行延長，使得荷載均勻分布，確保荷載達(dá)到120 kN/m2。

1.2 橋墩構(gòu)造

剛構(gòu)橋所建設(shè)橋墩，既要具備支撐上部結(jié)構(gòu)的功能，還要具備良好的柔度與穩(wěn)定性。剛構(gòu)橋往往采取墩梁固結(jié)工藝，連續(xù)梁、橋墩均要承受一定應(yīng)力，且二者所承受應(yīng)力大小與自身剛度密切相關(guān)，由此可見，在對橋墩剛度進(jìn)行設(shè)置時(shí)，一方面要考慮現(xiàn)場情況，另一方面要避免剛度過大，將梁體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變位或扭曲等問題的概率降至最低。

2 高墩大垮連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)探究

2.1 項(xiàng)目概況

某地計(jì)劃對跨庫大橋進(jìn)行建設(shè)，該大橋與電站大壩的直線距離在1 000 m 左右，在連接當(dāng)?shù)毓贰⒋蛟旖煌ňW(wǎng)絡(luò)等方面均具有極為重要的作用[1]。該大橋既要負(fù)責(zé)向大壩上游運(yùn)輸填筑施工所需材料，還要為水庫淹沒地區(qū)的運(yùn)輸工作提供支持。主橋上部采用連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)，其規(guī)格為100+200+100 m，大橋右側(cè)引橋可拆分成連續(xù)板、T 梁兩部分，其中，連續(xù)板的長度在8 m 左右、T 梁的長度在20 m 左右，左側(cè)引橋由長度在21 m 左右的T 梁組成。該大橋總長度為610 m，寬度在8 m 左右，交界墩及主墩均使用箱型砼墩，二者高度相同，均為162 m。橋面相對高度在2 800 m 左右，明顯高于正常狀態(tài)下水庫水位高度。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 大橋上部結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目主橋是連續(xù)鋼構(gòu)橋，其中，箱梁為單室單箱結(jié)構(gòu)，主梁為砼結(jié)構(gòu)，箱底板的寬度為5 m，頂板寬度為8 m，根部高度為13 m，合攏段+中跨跨中的梁高為3.5 m。主梁所用體系為三向預(yù)應(yīng)力，其中，縱向包括頂板束、腹板束以及底板束，對應(yīng)鋼絞線的強(qiáng)度在1 800 MPa 左右，設(shè)計(jì)方要求其張拉控制力不得小于1 300 MPa。考慮到預(yù)應(yīng)力砼橋梁所承受恒載與跨徑長度為正相關(guān)，要想使梁體應(yīng)力幅度、承載力達(dá)到要求，關(guān)鍵是要合理選用砼材料，本項(xiàng)目所用砼的型號為C60，其強(qiáng)度較其他型號砼更為理想，可在減小橋梁重量的前提下，為橋梁所具有可靠性、安全性提供保證。

2.2.2 大橋下部結(jié)構(gòu)

隨著水庫蓄水量的增多，橋墩浸入水中部分的面積將大幅增加，設(shè)計(jì)人員以現(xiàn)場情況為依據(jù)，分別對實(shí)心墩、空心墩效果進(jìn)行分析，最終決定放棄以往所使用的實(shí)心墩，轉(zhuǎn)而對空心墩、大橋主梁進(jìn)行連接。項(xiàng)目柱墩所用空心墩為單室空心墩，其中，縱橋向墩的底部寬度為12 m，頂部寬度為10 m，整體高度為162 m。空心墩寬度在70 m 內(nèi)保持不變，70 m 后可按照1∶100 的比例進(jìn)行放坡。而橫橋向墩的底部寬度為11 m，頂部寬度為6 m，要求施工人員按照1∶50 的比例進(jìn)行放坡。將墩壁厚度控制在70 cm 左右，并在墩底部恰當(dāng)位置增設(shè)實(shí)心段，實(shí)心段高度以2 m 為最佳。主墩承臺(tái)的厚度應(yīng)控制在6.5 m，同時(shí)保證對應(yīng)平面尺寸在16×19 m 左右。利用6 根鉆孔灌注樁打造符合項(xiàng)目要求的樁基礎(chǔ)，灌注樁直徑為3 m，嵌入深度在10 m 以上。

2.2.3 注意事項(xiàng)

（1） 確定高程

式中：Hmin代表橋面高度最低值；Hth代表通航水位最高值；Hm代表凈空高度；h0代表橋梁上部建筑實(shí)際高度。

（2） 選擇橋位

在選擇橋位時(shí)，應(yīng)綜合考慮等因素。要想保證項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性理想，關(guān)鍵是要在兩岸存在高地、山嘴或是庫面寬度較窄的區(qū)域進(jìn)行施工，這樣做能夠有效控制橋梁長度，達(dá)到減少成本的目的。如果重點(diǎn)考慮地質(zhì)要求，則應(yīng)在地質(zhì)構(gòu)造相對簡單且有大面積基巖露出的區(qū)域進(jìn)行施工，同時(shí)要保證現(xiàn)場不存在強(qiáng)巖溶、斷層或是滑坡等地質(zhì)情況。此外，還要將布設(shè)引道的難度納入考慮范圍，嚴(yán)格控制引道半徑和形式，以免引起不必要的地質(zhì)災(zāi)害。若從通航的角度考慮，施工方往往更傾向于在航道穩(wěn)定且平直的區(qū)域進(jìn)行施工，避免頻繁出現(xiàn)斜交的情況[2]。景觀要求明確指出，施工現(xiàn)場的地貌及地形應(yīng)與橋梁形態(tài)高度契合，確保所打造景觀統(tǒng)一且和諧。為保證施工順利進(jìn)行，還要對所選擇區(qū)域運(yùn)輸材料的難度加以考慮。本項(xiàng)目中，受深水條件制約，為保證大橋充分滿足地質(zhì)要求，施工方最終決定在基巖條件理想的區(qū)域進(jìn)行施工。

（3） 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

邊坡所表現(xiàn)出穩(wěn)定性，通常決定著項(xiàng)目整體的安全性，由此可見，施工人員應(yīng)嚴(yán)格控制開挖量，以免邊坡出現(xiàn)坍塌或類似問題。在此基礎(chǔ)上，全面分析邊坡所表現(xiàn)出穩(wěn)定性，若邊坡穩(wěn)定性良好且未受到風(fēng)化影響，可通過抹面或噴漿的方式，為其提供相應(yīng)的保護(hù)，如果邊坡穩(wěn)定性不理想，同時(shí)存在結(jié)構(gòu)松散或是風(fēng)化嚴(yán)重的情況，則要通過擋土墻或是護(hù)面墻對其進(jìn)行加固。

（4） 耐久性設(shè)計(jì)

要想保證結(jié)構(gòu)耐久性達(dá)到預(yù)期，關(guān)鍵要酌情采取以下策略：一是保證上部構(gòu)造高度高于蓄水位，避免水位變動(dòng)給上部構(gòu)造產(chǎn)生影響。二是對水泥用量加以控制，除特殊情況外，預(yù)應(yīng)力砼用量均應(yīng)在400 kg/m3以上，鋼筋砼用量則要達(dá)到300 kg/m3以上。三是以現(xiàn)場情況為依據(jù)，判斷是否需要對貼面鋼筋網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)。四是對砼強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，本項(xiàng)目所使用預(yù)應(yīng)力砼的強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到C40，而鋼筋砼的強(qiáng)度需要達(dá)到C30。五是對鋼筋保護(hù)層整體厚度提出嚴(yán)格規(guī)定，其中，上部結(jié)構(gòu)所布設(shè)保護(hù)層厚度以5 cm 及以上為最佳，墩臺(tái)保護(hù)層整體厚度則需要達(dá)到7 cm 以上，同時(shí)對其坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

（5） 橋梁墩臺(tái)計(jì)算

在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員以前期地質(zhì)勘察所掌握資料為依據(jù)，對大橋基礎(chǔ)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，先確定基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，再將其嵌入基巖，希望能夠通過約束固端的方式，為墩身、橋梁構(gòu)造提供安全保護(hù)。本項(xiàng)目與常規(guī)大橋的區(qū)別，主要是在于其橋墩高度相對較高，通常可達(dá)到160 m 及以上，考慮到高墩往往擁有極大的柔性，對施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其剛度及穩(wěn)定性[3]。

2.3 計(jì)算分析

2.3.1 動(dòng)力分析

在分析剛架橋前，先要確定結(jié)構(gòu)坐標(biāo)，并以單元、節(jié)點(diǎn)為單位，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，再對節(jié)點(diǎn)力向量、位移向量進(jìn)行設(shè)定，見圖1。獲得離散圖后，便可建立相應(yīng)的剛度方程，即：

圖1 項(xiàng)目離散圖

在該方程中，[K] 代表剛度矩陣；g0gggggg代表位移向量；{P}代表力向量。隨后，便可基于大橋全橋?qū)τ邢拊Ｐ瓦M(jìn)行建立（見圖2），根據(jù)橋墩情況設(shè)置相應(yīng)約束條件，對墩底邊界加以固定。本項(xiàng)目所建設(shè)橋墩為薄壁雙肢橋墩，整體剛度較低，對應(yīng)基頻在4Hz 左右。需要注意的是，施工期間可能會(huì)出現(xiàn)反對稱的振型（見圖3），這表示該環(huán)節(jié)橋墩存在較為明顯的振動(dòng)，應(yīng)酌情調(diào)整施工方法，保證橋墩可靠且安全。綜上，通過分析全橋動(dòng)力特性能夠看出，該大橋結(jié)構(gòu)相對較弱，極易由于地震、風(fēng)荷載影響而出現(xiàn)變形，加之本項(xiàng)目為典型的高墩橋，與橋梁走向相同的橋墩具有良好延性，有一定概率出現(xiàn)塑性轉(zhuǎn)角或類似情況，在對施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注塑性鉸區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場情況對配筋等工作的關(guān)鍵點(diǎn)加以確定。

圖2 項(xiàng)目計(jì)算模型

圖3 全橋陣型圖

2.3.2 靜力分析

（1） 確定施工流程

由于本項(xiàng)目墩身高度相對較高，為避免深水環(huán)境造成嚴(yán)重影響，施工人員決定通過懸臂掛籃法對砼進(jìn)行澆筑，該項(xiàng)工作共包括四個(gè)環(huán)節(jié)，首先是前移掛籃，其次是綁扎鋼筋同時(shí)對砼進(jìn)行澆筑，需要注意的是，在該環(huán)節(jié)單元并未被激活，再次是激活單元并確定濕重，最后是對鋼束進(jìn)行張拉[4]。

（2） 驗(yàn)算橋梁結(jié)構(gòu)

考慮到箱梁所儲(chǔ)備應(yīng)力、整體強(qiáng)度均會(huì)給箱梁可靠性產(chǎn)生直接影響，專業(yè)人員指出應(yīng)通過有限元程序?qū)ο淞簯?yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)算，由此確定箱梁應(yīng)力以及承載力。另外，對穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算的切入點(diǎn)有三個(gè)，分別是抗風(fēng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性、雙懸臂最大值狀態(tài)下的穩(wěn)定性和成橋狀態(tài)下的穩(wěn)定性。研究表明，該橋墩所表現(xiàn)出承載力可達(dá)到行業(yè)要求，即使在橫風(fēng)工況下進(jìn)行施工，其穩(wěn)定性仍然能夠得到有力保證。

2.4 墩身施工要點(diǎn)

2.4.1 施工方案

待承臺(tái)施工告一段落，可著手準(zhǔn)備連接長鋼筋，為墩身首節(jié)段的施工做好準(zhǔn)備。等到首節(jié)段砼強(qiáng)度達(dá)到項(xiàng)目要求，再對爬模系統(tǒng)進(jìn)行安裝，在綁扎鋼筋的同時(shí)對下一節(jié)段進(jìn)行砼灌注施工，待砼達(dá)到凝固狀態(tài)，盡快脫模并安裝液壓系統(tǒng)與爬軌，在勻速爬升至對應(yīng)節(jié)段后，以支撐架為參照物，在其下方對下爬架進(jìn)行安裝，隨后，依次完成爬升、關(guān)模和灌注砼等工作，確保墩身施工質(zhì)量可達(dá)到預(yù)期[5]。對本項(xiàng)目墩內(nèi)橫隔板進(jìn)行施工時(shí)，施工人員計(jì)劃先在墩身內(nèi)側(cè)恰當(dāng)位置對預(yù)埋件進(jìn)行埋設(shè)，再對牛腿進(jìn)行安裝，通過鋪設(shè)預(yù)制板的方式，確保后續(xù)施工可順利完成。項(xiàng)目中部分橋墩施工參數(shù)見表1。

表1 橋墩施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.4.2 測控方案

蓄水后，現(xiàn)場水位將提高100 m 左右，墩身沒入水中的部分能夠達(dá)到160 m，如何保證墩身質(zhì)量，便成為施工人員關(guān)注的重點(diǎn)。鑒于此，施工方指出應(yīng)密切關(guān)注墩身情況，根據(jù)測量所得數(shù)據(jù)調(diào)整施工方案，確保橋墩結(jié)構(gòu)、橫縱軸線均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測量方法如下：第一步，在橋墩頂面布設(shè)兩個(gè)測量點(diǎn)，保證各測量點(diǎn)均位于橫軸線上。第二步，通過鉛垂儀引出紅外線，將紅外光斑作為參照物，對橋墩結(jié)構(gòu)、軸線坐標(biāo)進(jìn)行控制。第三步，酌情引入定位儀，利用定位儀校核各點(diǎn)坐標(biāo)。對本項(xiàng)目進(jìn)行測控期間，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中心定位、高墩高度等參數(shù)。其一，測控中心定位。考慮到現(xiàn)場地形較為復(fù)雜，因此，先要利用全站儀對平面控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)，定期對控制網(wǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，將測量所得數(shù)據(jù)上報(bào)給工程師，由工程師負(fù)責(zé)審批。如果施工當(dāng)日最高氣溫在28 ℃以上，則要在8∶00 前完成上述工作，將溫差給測設(shè)結(jié)果所產(chǎn)生影響降至最低。對模板進(jìn)行安裝時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注墩身各角點(diǎn)、中心點(diǎn)坐標(biāo)，及時(shí)糾偏。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案所提出要求，綁扎墩身鋼筋，在保證模板、鋼筋位置符合要求的前提下，著手準(zhǔn)備澆筑砼及后續(xù)施工。施工期間應(yīng)利用全站儀、垂準(zhǔn)儀監(jiān)測墩身垂直度，每隔20 m 設(shè)置一個(gè)斷面，根據(jù)高墩軸線、中心所在位置，對測點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，確保監(jiān)測所得數(shù)據(jù)能夠如實(shí)反映高墩垂直情況。其二，測控高墩高度。通過三角網(wǎng)點(diǎn)對墩臺(tái)高度進(jìn)行測量，以設(shè)計(jì)方所提供基準(zhǔn)點(diǎn)為依據(jù)，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)、現(xiàn)場地形對高程網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)并測量，將測量所得數(shù)據(jù)上報(bào)給工程師，由工程師負(fù)責(zé)進(jìn)行審批。待承臺(tái)施工告一段落，再按照設(shè)計(jì)方案所提出要求對臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，密切關(guān)注墩身高度和沉降程度，保證施工進(jìn)度可達(dá)到預(yù)期。

3 結(jié)論

綜上，隨著城市化建設(shè)的推進(jìn)，各地紛紛加入興建高等級公路的陣營，在美觀性、協(xié)調(diào)性與力學(xué)合理性等方面具有突出表現(xiàn)的高墩剛構(gòu)橋，開始為人們所熟知。考慮到該類橋梁具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整難度大的不足，要想使其優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，關(guān)鍵是要綜合考慮多方面因素，對切實(shí)可行的施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，本研究便以此為切入點(diǎn)，結(jié)合某項(xiàng)目情況對設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開了討論，希望能夠給其他人以啟發(fā)，為日后類似項(xiàng)目的高效施工奠基。