連續(xù)剛構(gòu)橋型在山區(qū)高速公路上的應(yīng)用

楊志軍

(湖南常德路橋建設(shè)有限公司)

1 連續(xù)剛構(gòu)橋的基本特點及其在山區(qū)高速公路上的應(yīng)用

1.1 連續(xù)剛構(gòu)橋的基本特點

連續(xù)剛構(gòu)橋的基體體系是梁體連續(xù)、梁墩固結(jié)、既保持了連續(xù)梁無伸縮縫、行車平順的特點,又保持了在懸臂法施工時不需轉(zhuǎn)換體系的優(yōu)點,方便施工,且有很大的順橋向抗彎剛度和橫向扭剛度,能滿足在施工和運營階段的受力要求。

1.2 連續(xù)剛構(gòu)橋在結(jié)構(gòu)上的特點

(1)由于墩、梁固結(jié),要求橋墩有一定的柔度,形成擺動體支承體系,因此常用于高墩大跨徑橋梁中。

(2)由于橋型結(jié)構(gòu)連續(xù),適應(yīng)車輛高速行駛;由于墩梁固結(jié),節(jié)約了支座,并改善了結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的受力性能,即各柔性墩按剛度比分配水平力。

(3)因順橋向抗推剛度小,故能有效的減小溫度、混凝土收縮徐變和地震影響。

(4)順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度較大,能滿足特大跨徑橋的受力要求。

(5)采用雙薄壁橋墩可以減小主梁跨徑,削掉墩頂?shù)呢?fù)彎矩尖峰,節(jié)省工程材料,外觀上顯得輕巧美觀。

1.3 連續(xù)剛構(gòu)橋在施工技術(shù)上的特點

(1)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋大多采用懸臂施工法。懸臂施工法能保證在整個施工過程中墩頂處主梁僅承受負(fù)彎矩,勿需使主梁在施工和成橋階段經(jīng)受較為復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換過程,并懸臂現(xiàn)澆能夠方便地滿足截面的施工要求。

(2)由于無需設(shè)置臨時支座,體系轉(zhuǎn)換方便,施工簡單,受力明確。

(3)中等跨徑橋梁大多采用先簡支后連續(xù)裝配式施工。墩頂采用現(xiàn)澆混凝土連續(xù)段張拉負(fù)彎矩剛筋形成連續(xù)剛構(gòu)體系?，F(xiàn)澆連續(xù)段還能較好地調(diào)整曲線橋梁的內(nèi)外弧長差。適應(yīng)彎、斜橋,施工快捷方便。

(4)懸臂澆筑和先簡支后連續(xù)裝配式施工為現(xiàn)代化橋梁最重要的施工方法,具有適應(yīng)性強,安全穩(wěn)妥,施工進度快,造價低等突出優(yōu)點。

1.4 連續(xù)剛構(gòu)橋在山區(qū)高速公路上的應(yīng)用

山區(qū)高速公路往往是沿溪展線,受地形、地質(zhì)、水文的影響,路線布設(shè)時平縱橫三個方面普遍都受到約束,造成平曲線多,平面半徑較小,縱坡較大。山區(qū)高速公路橋位選擇總的原則是:中、小橋嚴(yán)格服從路線布設(shè),大橋、特大橋等大型工程應(yīng)做多方案同深度的橋位比選,并以其為控制點,總體上達到與路線走向一致,做到路、橋綜合考慮、合理銜接。

變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的合理跨徑為 60～200m,連續(xù)剛構(gòu)橋的合理跨徑在 80～300m(采用輕質(zhì)高強材料的連續(xù)剛構(gòu)跨越能力更大),常采用懸臂施工法。在山區(qū)高速公路中,常用于跨越大的溝谷、河流,尤其在我國西部多山地區(qū),大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和連續(xù)剛構(gòu)是山區(qū)高速公路跨徑橋梁的首選橋型之一。在山區(qū)高速公路跨越大的溝谷、河流時,出現(xiàn)了許多高墩(墩高在 50m以上)大跨徑橋梁。重慶石板坡大橋,主跨 330m,是世界第一跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋;陜西黃(陵)延(安)高速公路(山嶺重丘區(qū))上的洛河大橋,橋墩高 143.5m,是亞洲第一高墩。

跨徑在 25～60m,在山區(qū)高速公路中常用于彎、坡、橋(受路線線形限制)或跨線橋中。較多采用先簡支裝配后連續(xù)的等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁或連續(xù)剛構(gòu)型式。

再舉一個應(yīng)用實例:國道主干線青島—銀川高速公路在山西省離石—軍渡段,采用山嶺區(qū)四車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),整體式路面寬24.50m,分離工路面寬12.25m,路線全長 38.55km。全線位于山嶺重丘區(qū),所經(jīng)地區(qū)河谷深切,溝壑縱橫,地形和地質(zhì)條件極為復(fù)雜,滑坡、采空區(qū)、坍塌、錯落體、斷層、巖溶、濕陷性黃土等。羅河大橋是離軍高速公路中的一座大橋,該橋起點位于整體式路基,在K16+485.65處左右幅分離,右幅橋位于直線段、緩和曲線和 R=1000m的圓曲線內(nèi)。左幅橋位于直線段、緩和曲線和R=867.829m的圓曲線內(nèi)。雙向雙幅結(jié)構(gòu),由左、右兩幅橋組成,左幅為3×25m+55m+2×90m+55m+4×25m,左幅全長471.6m,右幅為3×25m+55m+2×90m+55m+3× 25m,右幅全長446m。主橋上部為預(yù)應(yīng)力混凝凝土連續(xù)剛構(gòu),引橋為 3×25m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,橋高 62.40m,為離軍高速第一高橋。在主橋設(shè)計中曾選擇主跨 90m的上承式鋼筋混凝土箱形拱橋方案作比較。最終采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋方案。

2 在山區(qū)高速公路上連續(xù)剛構(gòu)橋的總體布置與構(gòu)造特點

2.1 總體布置

2.1.1 總體布置一般原則

(1)山區(qū)河流多為河谷深切,河床狹窄,岸坡陡峭落差大,枯水期流量較小,河水淺;汛期洪水陡漲陡落,洪峰時程短,水流急,流速大,水流夾帶泥砂、落石,從而影響橋墩沖刷和基礎(chǔ)的埋深。進行橋孔布置時,應(yīng)盡量避免在河溝中間布置;難以避免時,應(yīng)充分考慮沖刷,滾石對橋墩及基礎(chǔ)的影響。

(2)山區(qū)高速公路橋梁一般不受水文控制,對少量受水文控制的橋梁,橋長及橋孔布置須滿足水文要求;跨越河堤的橋孔,須滿足堤防部門對孔跨布置、墩位的設(shè)置和堤防汛通道凈空等方面的要求;山區(qū)河流一般通航等級較低或不通航,對通航河流應(yīng)收集有關(guān)資料,滿足通航凈空要求。

(3)山區(qū)不良地質(zhì)對橋型方案有直接的影響,如巖溶發(fā)育地段,橋梁宜選擇較大跨徑,減小橋墩數(shù)量,并盡量減少墩臺樁基的數(shù)量;橋址處有斷裂帶,特別是位于活動斷層地帶,橋梁盡量采用大跨跨越,同一基礎(chǔ)不置于斷裂線兩側(cè);橋梁經(jīng)過泥石流地段,也應(yīng)適當(dāng)加大跨徑。

(4)山區(qū)地形復(fù)雜,部分山谷寬深,呈V形、U形、山坡陡峭,須緊密結(jié)合地形、地質(zhì)施工、運輸條件等進行橋跨布置。

2.1.2 橋梁孔跨的確定

(1)跨度與墩高的關(guān)系。

對于多孔高架橋,一般跨高比在 0.8～1.4之間較好,橋墩高度較高時,比值可以取較低值,橋墩高度較矮時,比值可以取較高值。對于中小橋跨梁橋,一般跨高比為 1.5～2.5。對于陡坡地段,以橋代路的橋梁,應(yīng)進行充分的比較,避免為了縮短橋長而采用高填方、大錐坡。一般情況下橋臺高度以不于 8m為宜,條件受限的臺位最大高度建議不大于 12m。確定橋梁全長之后城擬定一個經(jīng)濟跨徑并分孔。一般橋梁的布孔宜盡量采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置。在同一合同段中的橋梁盡量采用相同跨徑,并且滿足結(jié)構(gòu)性能的前提下盡量統(tǒng)一下部結(jié)構(gòu)形式。

(2)主跨跨徑比。

①連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨與中跨比的確定首先取決于全橋的總體布置與自然條件的協(xié)調(diào)性。根據(jù)橋位處地形、地質(zhì)、地貌、通航要求和水文條件等,一般進行對稱布置,對于山區(qū)河流,深溝等也有結(jié)合地形和地質(zhì)進行非對稱布置。

②邊、主跨跨徑比應(yīng)考慮梁體內(nèi)力分布的合理性與施工的方便。邊、主跨的跨徑比選擇在 0.54～0.5之間,或再稍大一些時,有可能在邊跨懸臂端以導(dǎo)梁支承于邊墩上,合攏邊跨,而取消落地支架。

(3)連續(xù)剛構(gòu)橋的總體布置。

①連續(xù)剛構(gòu)橋孔不宜太多,墩、梁固結(jié)的總長度不宜太長,否則橋梁剛度過大,易由于溫度變化和混凝土由縮、徐變產(chǎn)生較大的次內(nèi)力。

②橋墩不宜太矮,橋墩和主梁要選擇合理的剛度比。

③連續(xù)剛構(gòu)橋一聯(lián)墩高布置不宜相差太大,最低墩高與最高墩高之比宜大于 0.2～0.4。

2.2 主梁構(gòu)造

在山區(qū)高速公路上建橋,往往分上、下行,修成雙幅橋,單幅橋?qū)捈s 12m左右,截面為兩個分離單室箱。國內(nèi)所建大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的高跨比;支點約為 0.055;跨中約為0.02～0.03。

山區(qū)高速公路中小跨徑橋梁宜采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系,既滿足行車舒適性,又適應(yīng)橋梁受力特點。25～50m的先簡支裝配后連續(xù)的等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),主梁斷面大多選用 T梁,因為山區(qū)橋梁一般橋墩較高,滿足凈空的要求,而且T梁吊裝重量比小箱梁徑,適用于運輸?shù)跹b裝困難的山區(qū)橋梁,同時T梁施工技術(shù)成熟,有利于保證工程質(zhì)量。

2.3 連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩形式和布置

連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩一般采用單肢或雙肢的實體式或空心式橋墩。在墩身高度不大時(主孔跨徑小于 60m),多采用單肢式實心薄壁矩形墩身截面。在大跨連續(xù)剛構(gòu)橋中一般采用雙肢樁薄壁墩。雙肢柱式墩可減小梁的負(fù)彎矩峰值,且較單肢柱式墩有較大的抗彎、抗扭剛度,能有效減小梁高,增強橫向抗風(fēng)能力,提高大跨徑橋梁懸臂施工的安全性。

對于雙肢柱薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋,墩柱高度與主跨之比一般應(yīng)大于 1/10,墩壁厚度與墩柱頂梁高之比一般為0.15～0.25。

對雙肢墩系梁的設(shè)置,墩高在 50～110m之間宜設(shè)置1道系梁,在 110m以上,設(shè)計1～2道系梁,即可滿足施工階段和成橋狀態(tài)受力和穩(wěn)定性的需要。

對于彎橋可選擇空心薄壁單柱墩;當(dāng)主孔跨徑在 160m以上時,主墩設(shè)置為雙肢空心薄壁墩,雙肢間距在 8m以上,以確保橋梁縱橋向抗彎剛度和穩(wěn)定性需要。

2.4 基礎(chǔ)形式選擇

山區(qū)高速公路橋梁最常用的基礎(chǔ)形式是擴大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。山區(qū)一般地質(zhì)情況較好,采用擴大基礎(chǔ)的情況相對較多,且宜采用分離式擴大基礎(chǔ),因為分離式擴大基礎(chǔ)適應(yīng)地形橫坡,承載力一般能夠滿足要求。斜坡上的擴大基礎(chǔ)與樁基基礎(chǔ)必須考慮基礎(chǔ)擴散角和覆蓋層厚度以及施工的相互影響。擴大基礎(chǔ)在滿足抗傾覆和抗滑移的前提下,須明確基底承載力和埋置深度的要求。在山區(qū)尤其應(yīng)保證基礎(chǔ)邊緣距陡崖的安全距離,一般取 a≥5m。此外,若坡腳 β≥45°,建議對坡體穩(wěn)定性進行驗算。

樁基礎(chǔ)一般多為嵌巖樁和柱樁,地質(zhì)情況較差時采用摩擦樁。樁基施工一般多為挖孔樁,設(shè)計中能否采用挖孔樁,應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況具體分析。當(dāng)遇到軟弱夾層多、卵石、漂石等容易造成塌孔的地質(zhì)情況工地下水位較高、地層含有煤氣、瓦斯等有害氣體時不宜采用挖孔樁。橋墩較高時,為了提高橋墩或橋梁的穩(wěn)定性,宜采用樁基礎(chǔ),因為山區(qū)即使采用樁基一般也較短;或采用擴大基礎(chǔ)時,應(yīng)與基巖錨固。嵌巖樁一般取用雙控指標(biāo),嵌巖深度和基巖強度。目前規(guī)范對嵌巖深度無明確要求,設(shè)計中一般取用2.5倍樁徑。對山區(qū)常見的陡坡位置,需按巖面陡坡的安全距離計算有效嵌巖深度,不小于 3倍樁徑。此外,溶巖區(qū)樁基一般采取穿透溶洞的做法。

3 連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)分析

對于大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋,箱梁橫截面的扭轉(zhuǎn)翹曲、剪力滯、畸變特性等非常復(fù)雜,其空間效應(yīng)非常顯著。因此,對連續(xù)剛構(gòu)橋展開空間受力分析和施工全過程仿真分析是十分必要的。懸臂施工過程對線形控制、高墩穩(wěn)定性以及對連續(xù)剛構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換包括邊跨和中跨合龍兩墩內(nèi)外肢在體系轉(zhuǎn)換前后的受力變化要進行研究。

(1)空間有限元分析程序。

目前廣泛應(yīng)用的是有限元方法,預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的空間有限元分析方法有多種離散模型,常用的有空間梁單元法、梁格法、板殼元法、三維實體法。設(shè)計者一般都希望采用橋梁專用程序。其中,交通部公路科學(xué)研究所開發(fā)的三維橋梁預(yù)應(yīng)力分析系統(tǒng)(BridgeKF)是一個橋梁和連續(xù)剛構(gòu);而且,三向預(yù)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)耦合計算,比同類程序用節(jié)點等效方法模擬更符合實際情況;對于實體單元仍然可以進行溫度、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力等分階段計算。

(2)連續(xù)剛構(gòu)橋的抗風(fēng)和穩(wěn)定分析。

對于連續(xù)剛構(gòu)橇不僅要考慮成橋后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,更重要的要考慮施工階段的穩(wěn)定性。高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)穩(wěn)定的最不利狀態(tài)一般出現(xiàn)在最大懸臂施工狀態(tài)下。

帶縱向系梁的雙肢高墩,橫橋向穩(wěn)定性一般要比縱橋向差,對于跨徑較大的剛構(gòu)橋容易在橫向風(fēng)載下失穩(wěn)。為了使設(shè)計合理,應(yīng)盡量使兩方向的臨界荷載相近,可以通過增設(shè)兩幅橋間的橫橋向聯(lián)系梁或墩身設(shè)置橫向坡度使橫向剛度增加。

水平風(fēng)載使墩頂產(chǎn)生初始水平位移,與豎向荷載共同作用產(chǎn)生二階效應(yīng),能顯著降低墩頂臨界力,使墩的穩(wěn)定性大大降低,特別是對穩(wěn)定性較弱方向的水平荷載。因此高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計中水平風(fēng)載很可能為控制荷載,要重點分析,特別是對橫橋向風(fēng)載的分析。

(3)連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震設(shè)計。

對大跨度橋梁的抗震設(shè)計分兩階段進行:①在方案設(shè)計階段進行抗震概念設(shè)計,選擇一個較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系;②在初步或技術(shù)設(shè)計階段進行性抗震設(shè)計,并根據(jù)能力設(shè)計思想進行抗震能力驗算,必要時要進行減隔震設(shè)計提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

連續(xù)剛構(gòu)橋的主梁與墩剛結(jié),因此,在進行抗震概念設(shè)計時,重點應(yīng)放在塑性鉸位置的選取上。對于橋梁結(jié)構(gòu),通常希望塑性鉸出現(xiàn)在便于檢查和易于修復(fù)的,并且經(jīng)過特殊配筋的墩柱處。應(yīng)對其進行仔細(xì)的配筋設(shè)計,并通過抗震驗算,確保整體結(jié)構(gòu)與薄弱部位的抗震安后性。

4 連續(xù)剛構(gòu)橋的施工

4.1 懸臂掛籃澆筑

山區(qū)高速公路施工時,沿線交通不便,大件設(shè)備運輸困難,應(yīng)盡量考慮采用能就地澆筑、現(xiàn)場拼裝或利用橋址處地形施工的結(jié)構(gòu)形式和施工方法。懸臂掛籃澆筑法施工是最常規(guī)、最成熟的施工工藝。占有場地小,設(shè)備簡單。懸臂掛籃澆筑應(yīng)注意線形控制。

4.2 高墩滑模施工

高墩施工方法有翻模、爬模、頂升模板、滑動滑板等?；Ｊ┕ぞ褪菍⒒０迦渴┕ず奢d轉(zhuǎn)至墩身鋼筋(稱之為支承桿)上,混凝土澆筑至一定強度后,通過自身液壓提升系統(tǒng)將整個裝置沿支承桿上滑,調(diào)整后又連續(xù)澆筑混凝土并不斷循環(huán)的一個過程。

4.3 基礎(chǔ)施工

橋梁基礎(chǔ)及施工工藝的選擇須重視對自然環(huán)境的影響,避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。當(dāng)橋基位于山體完整性、穩(wěn)定性稍差的陡坡上時,應(yīng)進行陡坡的穩(wěn)定性分板研究;若無法避免橋基位于順層坡面時,應(yīng)選擇對坡面擾動小的橋基型式,橋基的開挖或鉆孔應(yīng)采用對坡面振動小的施工工藝。

5 結(jié) 語

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋型的結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)特點,適宜于在山區(qū)高速公路上使用。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋適用跨徑范圍寬,是一種經(jīng)濟合理的橋型,其設(shè)計理論明確,施工工藝成熟、安全,施工場地占用不大,運營期養(yǎng)護費用少。該橋型在一些山區(qū)高速公路跨越深谷、江河上應(yīng)該大有用武之地。

[1] 楊樹松,周衛(wèi)豐,潘鐵,等 .淺談山區(qū)高速公路的橋梁設(shè)計[J].公路,2007,(1):72-77.

[2] 《橋梁設(shè)計常用數(shù)據(jù)手冊》編寫委員會.橋梁設(shè)計常用數(shù)據(jù)手冊[M].北京:人民交通出版社,2005:470-485.