永順不二門大橋設(shè)計(jì)

胡 斌，張艷偉

1 工程概述

永順不二門大橋位于永順縣寶塔村境內(nèi)，是橫跨猛洞河連接S306與G207的一座特大橋梁，也是湘西北交通骨干網(wǎng)絡(luò)控制性工程。大橋全長(zhǎng)377.6 m，寬 12.8 m，主跨 160 m，主墩高 76 m。該橋地處山區(qū)，深峽谷，地形高差變化大，橋位處第四系覆蓋層淺，地層性單一，屬灰?guī)r。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

荷載等級(jí):公路－Ⅱ級(jí)，人群荷載3.5 kN/m2;

橋梁寬度:12.8 m=凈—12 m(行車道)+2×0.4 m(防撞欄桿);

公路等級(jí):二級(jí)，設(shè)計(jì)行車速度40 km/h;

設(shè)計(jì)洪水頻率:1%;

地震基本烈度:＜Ⅵ度;地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為 0.35 s。

3 橋型選擇

大橋處于一不對(duì)稱的“V”形山谷中，橋面至谷底高差達(dá)140余m，其終點(diǎn)側(cè)山體坡度陡峭，而起點(diǎn)側(cè)山體相對(duì)平緩些，且終點(diǎn)側(cè)有3條豎向裂隙。根據(jù)這一特殊的地形和地質(zhì)條件，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境影響等因素，最終選擇了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好、施工工藝成熟的預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋作為橋型方案。橋梁布置見圖1。

剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋是一種受力介于連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋梁之間的一種結(jié)構(gòu)形式，它兼顧了連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋兩者的優(yōu)點(diǎn)而摒棄了各自的缺點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)受力、使用性能等方面都具有一定的優(yōu)越性。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它在橋梁的應(yīng)用上既能增加聯(lián)長(zhǎng)，又能適應(yīng)矮墩等復(fù)雜的橋位環(huán)境的限制，具有很強(qiáng)的適應(yīng)地形性。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1 箱梁尺寸

不二門大橋上部構(gòu)造為(46+100+160+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)－連續(xù)箱梁。箱梁斷面為單箱單室箱形截面。變截面箱梁梁底線型按1.7次拋物線變化，箱梁根部梁高(箱梁外邊緣高度)為8.5 m，跨中梁高為3 m，箱梁頂板全寬為12.8 m，底板寬度為6.8 m。箱梁在梁端、1號(hào)墩頂處設(shè)置1 m厚橫隔板;2號(hào)墩頂設(shè)置4道55 cm厚橫隔板;3號(hào)墩頂設(shè)置1道2 m厚橫隔板;箱梁在跨中、四分點(diǎn)及保靖岸現(xiàn)澆梁段內(nèi)共設(shè)置8道30 cm厚橫隔板。第4跨靠保靖?jìng)?cè)25 m長(zhǎng)的箱梁內(nèi)采用C20素混凝土進(jìn)行配重。上部箱梁采用C50混凝土。箱梁斷面見圖2。

4.1.2 箱梁梁段劃分

箱梁0號(hào)梁段考慮到掛籃的長(zhǎng)度及雙臂墩的寬度，盡量減少施工墩旁托架，故定為12 m。由于施工中合龍段的澆筑時(shí)間要求短，結(jié)合施工中操作方便等因素，合龍段取2.25 m長(zhǎng)。剩下的梁長(zhǎng)分段，除考慮梁段的重量不宜差別太大外，還考慮梁段的類型不宜太復(fù)雜，故取1號(hào)～6號(hào)梁段長(zhǎng)2.5 m，7號(hào)～11號(hào)梁段長(zhǎng)3 m，12號(hào)～22號(hào)梁段長(zhǎng)4 m。其中最重的懸澆梁段為1號(hào)梁段，其重量為1 360 kN。

圖1 橋型布置(單位:cm)

圖2 箱梁斷面(單位:cm)

4.1.3 箱梁預(yù)應(yīng)力

主橋上部構(gòu)造按全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向、橫向預(yù)應(yīng)力均采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，設(shè)計(jì)錨下張拉控制應(yīng)力1 395 MPa?？v向預(yù)應(yīng)力束根據(jù)張拉的時(shí)間與形狀不同分為前期束和后期束，前期束包括腹板下彎束及頂板內(nèi)直束，后期束包括底板束、腹板彎束和頂板對(duì)拉束。前期束在澆筑“T”時(shí)進(jìn)行張拉，后期束在“T”澆筑完畢以及前期束張拉完成后主橋合龍時(shí)進(jìn)行張拉。頂板橫向預(yù)應(yīng)力采用扁錨體系，單端交錯(cuò)張拉。腹板設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力，采用JL32的精軋螺紋鋼筋。

4.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于大橋處特殊的地形和地質(zhì)條件，大橋墩臺(tái)的設(shè)計(jì)也各不相同。0號(hào)橋臺(tái)采用U形橋臺(tái)接擋土墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。4號(hào)橋臺(tái)采用鋼筋混凝土臺(tái)座形式，嵌固于微風(fēng)化灰?guī)r中。2號(hào)主墩(圖3)墩高達(dá)76 m，采用墩梁固結(jié)方式。墩身設(shè)計(jì)為兩片空心薄壁墩，墩身采用箱形截面，順橋向長(zhǎng)9 m，其中單片空心薄壁長(zhǎng)2.2 m，橫橋向?qū)?.8 m。橋墩基礎(chǔ)為6根D250 cm挖孔樁基配2.75 m高承臺(tái)。3號(hào)邊主墩墩高僅23 m，墩身設(shè)計(jì)為箱形截面，順橋向長(zhǎng)3.8 m，橫橋向?qū)?.8 m。橋墩基礎(chǔ)為6根 D 200 cm挖孔樁基配2.75 m高承臺(tái)。1號(hào)墩采用單排雙柱式橋墩，基礎(chǔ)采用2根D 250 cm挖孔樁，墩身采用2根220 cm(順橋向長(zhǎng)度)×160 cm(橫橋向長(zhǎng)度)長(zhǎng)方形立柱，立柱與樁基之間采用邊長(zhǎng)為300 cm方形樁帽連接，樁帽和立柱頂各設(shè)置一道系梁。

圖3 2號(hào)主墩一般構(gòu)造(單位:cm)

5 結(jié)構(gòu)靜力分析

大橋順橋向總體結(jié)構(gòu)靜力分析采用平面桿系橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。由于大橋?yàn)椴坏瓤缃Y(jié)構(gòu)，其上部主梁受力與施工方法密切相關(guān)，所以計(jì)算時(shí)嚴(yán)格按實(shí)際施工方法和合龍順序來(lái)模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。全橋共分191個(gè)桿件，56個(gè)計(jì)算階段。由于地質(zhì)條件相對(duì)較好，因此未按等剛度原理將樁基礎(chǔ)進(jìn)行模擬，即不計(jì)樁基礎(chǔ)的影響，近似按承臺(tái)底固結(jié)考慮。中主墩(2號(hào)墩)與主梁固結(jié)。對(duì)于邊主墩(3號(hào)墩)，其對(duì)結(jié)構(gòu)總體受力影響較大，因此計(jì)入總體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中。而交接墩(1號(hào)墩)對(duì)結(jié)構(gòu)總體受力影響很小，本計(jì)算沒計(jì)入總體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中，其對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)用單向支承的約束來(lái)處理。計(jì)算圖示見圖4。成橋運(yùn)營(yíng)計(jì)算包括恒載、活載、支點(diǎn)沉降、溫度、混凝土收縮徐變等工況，按規(guī)范進(jìn)行最不利荷載組合。

圖4 結(jié)構(gòu)總體計(jì)算圖示

大橋施工工藝流程為:主橋下部施工完成后，在2號(hào)、3號(hào)橋墩旁托架上澆筑0號(hào)塊，其余塊件(除合龍段及邊跨現(xiàn)澆段外)均以掛籃懸臂對(duì)稱澆筑，并張拉各階段預(yù)應(yīng)力鋼束，直至最大懸臂(3號(hào)墩懸澆后期采用邊跨箱梁內(nèi)灌注混凝土的方式完成懸臂不對(duì)稱澆筑);然后按先邊跨后中跨的順序依次合龍;最后進(jìn)行橋面系施工。按此流程逐階段計(jì)算結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)力、應(yīng)力和位移，每個(gè)懸臂的施工包括掛籃就位、梁段澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力及掛籃前移等4個(gè)主要工況。成橋運(yùn)營(yíng)計(jì)算包括恒載、活載、支點(diǎn)沉降、溫度等工況，按規(guī)范進(jìn)行最不利荷載組合。

計(jì)算參數(shù):汽車活載按公路－Ⅱ級(jí)車道荷載考慮，橫向分布系數(shù)取2.3計(jì)算，汽車活載沖擊系數(shù)采用結(jié)構(gòu)基頻進(jìn)行計(jì)算;溫度效應(yīng)按整體溫變±25℃計(jì)算，并按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)入梯度溫度引起的效應(yīng);風(fēng)荷載取基本風(fēng)壓W0=0.4 kPa;基礎(chǔ)不均勻沉降量按1 cm計(jì)。

計(jì)算結(jié)果:在最不利荷載組合下，箱梁上緣最小應(yīng)力為壓應(yīng)力0.4 MPa，箱梁上緣最大應(yīng)力為壓應(yīng)力15.7 MPa;箱梁下緣最小應(yīng)力為壓應(yīng)力3.3 MPa，箱梁下緣最大應(yīng)力為壓應(yīng)力15.3 MPa;箱梁最大主壓應(yīng)力為16.2 MPa，無(wú)主拉應(yīng)力。墩頂及跨中截面的彎矩值和應(yīng)力值見表1、表2。

表1 主梁截面抗力及彎矩值 (kN·m)

計(jì)算表明，主梁截面承載能力強(qiáng)度驗(yàn)算、抗裂驗(yàn)算、抗壓驗(yàn)算等均滿足規(guī)范要求。

6 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1)橋型采用高墩大跨徑剛構(gòu)—連續(xù)組合梁設(shè)計(jì)。根據(jù)橋位處不對(duì)稱“V”形山谷的特點(diǎn)以及終點(diǎn)側(cè)山體地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等因素，橋梁主跨采用單跨160 m跨徑跨越，為我省目前已建成通車的同類型橋梁中跨徑之最。2號(hào)主墩墩高76 m，采用雙肢薄壁空心墩，且墩梁固結(jié)，既符合結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，也避免了體系轉(zhuǎn)換帶來(lái)的施工不便。3號(hào)主墩墩高僅23 m，采用箱型斷面，墩頂設(shè)置支座，有利于箱梁的變位及力的傳遞，同樣也符合結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。

表2 主梁截面應(yīng)力值 MPa

2)采用不等跨設(shè)計(jì)，終點(diǎn)側(cè)邊跨與中跨之比僅為0.375，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)難度高。

由于終點(diǎn)側(cè)山體陡峭，且裂隙發(fā)育，因此3號(hào)主墩只能靠山體內(nèi)側(cè)布置，導(dǎo)致終點(diǎn)側(cè)邊跨與中跨之比僅為0.375，大大小于常規(guī)連續(xù)梁 0.55～0.7的正常比值，邊跨會(huì)由于太輕容易發(fā)生翹起，這就給設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求。經(jīng)過(guò)仔細(xì)的研究分析，采用邊跨箱梁內(nèi)灌注混凝土壓重的辦法能很好的解決了這一難題。即3號(hào)墩在懸臂對(duì)稱澆筑完17號(hào)梁段且保靖?jìng)?cè)合龍后，在中跨18號(hào)～22號(hào)梁段懸澆的同時(shí)，往邊跨箱梁內(nèi)灌注混凝土壓重來(lái)達(dá)到墩兩側(cè)的力矩平衡。為了更好的保證橋梁施工質(zhì)量，壓重的同時(shí)在邊跨側(cè)增加一定重量的體外配重，以及采用測(cè)力裝置監(jiān)測(cè)4號(hào)臺(tái)的支反力的方法，最終大橋順利的合龍。

3)人工挖孔樁與山區(qū)橋梁建設(shè)中的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。大橋跨越“V”形山谷，屬典型的山區(qū)橋梁。為避免大面積開挖、破壞山體植被和山體邊坡的穩(wěn)定，橋墩基礎(chǔ)均設(shè)計(jì)成人工挖孔樁樁基礎(chǔ)。人工挖孔樁施工操作方便，施工質(zhì)量可靠，占用場(chǎng)地小;施工過(guò)程中無(wú)泥漿排出，對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境影響小，且可同時(shí)展開多個(gè)工作面，可大大縮短工期;另外施工中不需要大型機(jī)械設(shè)備，可降低工程造價(jià)。

7 結(jié)語(yǔ)

不二門大橋充分體現(xiàn)了依據(jù)地形、地質(zhì)條件選擇橋型及布跨方式的設(shè)計(jì)理念。在山區(qū)深谷的橋梁建設(shè)中，剛構(gòu)－連續(xù)組合梁橋以適應(yīng)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)勢(shì)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著國(guó)家加大對(duì)西部高等級(jí)公路建設(shè)的進(jìn)一步投入，剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋憑借自身的優(yōu)勢(shì)作為設(shè)計(jì)中的主選橋型之一將會(huì)大量出現(xiàn)，不二門大橋的成功建成將為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供一個(gè)很好的范例，也給山區(qū)建橋提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

［1］邵旭東.橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］JTG D60－2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［3］王文濤.剛構(gòu)連續(xù)組合梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［4］鞏春領(lǐng).大跨徑剛構(gòu)－連續(xù)組合梁橋整體受力分析與探討［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2004(5).