高墩大跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的設(shè)計(jì)

張 揚(yáng)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁院，北京 102600)

1 概述

圖1 3-(60+3×100+60)m立面布置(單位:cm)

該橋主橋橫跨深溝溝壑，地形起伏致使墩高差別較大，第1聯(lián)11～14號(hào)墩墩高分別為 44.5、60.5、81.5、89 m;第2 聯(lián)15 ～19 號(hào)墩高分別為90、106、106、96 m;第3 聯(lián) 21 ～24 號(hào)墩高分別為 89、90、90、80 m。本橋基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋墩和基礎(chǔ)的整體剛度相對(duì)于梁部剛度偏小，采用墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)形式與采用連續(xù)梁橋相比，要更經(jīng)濟(jì)、合理。本橋3主跨的溫度跨度達(dá)到300 m，由于混凝土收縮、徐變溫度應(yīng)力引起的次內(nèi)力也較大，采用固結(jié)中間2個(gè)剛構(gòu)墩的剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的形式要優(yōu)于固結(jié)中間4個(gè)主墩的連續(xù)剛構(gòu)形式。

因此，本橋3聯(lián)主橋最終采用剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋形式，這種橋式的優(yōu)點(diǎn)在于減少了大型高墩橋梁的支座和養(yǎng)護(hù)問(wèn)題，優(yōu)化了橋墩和基礎(chǔ)的材料用量。這種橋式在受力方面，上部結(jié)構(gòu)仍為連續(xù)梁特點(diǎn)，但必須計(jì)入由于橋墩受力及混凝土收縮、徐變、溫度變化引起的彈性變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。橋墩具有一定的柔度，所受的彎矩相對(duì)較小，而在墩梁固結(jié)處具有剛構(gòu)受力的特點(diǎn)。

2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁構(gòu)造

主橋梁部采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，每聯(lián)計(jì)算跨度為(60+3×100+60)m，1聯(lián)梁全長(zhǎng)421.5 m。箱梁采用變截面、變高度單箱單室結(jié)構(gòu)，梁高4.5～7.5 m，頂寬10.9 m，底寬7.0 m。頂板厚度除梁端附近區(qū)段外均為40 cm，底板厚度按照?qǐng)A曲線形式從40 cm變化至100 cm，并在中隔墻附近進(jìn)行局部加厚。每聯(lián)剛構(gòu)-連續(xù)組合梁在梁端、支墩和跨中處設(shè)置橫隔墻，橫隔墻設(shè)置進(jìn)人洞，此外，剛構(gòu)主墩在底板處設(shè)置R=80 cm的圓形進(jìn)人洞，供檢修人員通過(guò)。梁體下緣除各中跨中部10 m和邊跨端部15.75 m為4.5 m的等高直線段外，其余為圓曲線變化段。主橋梁部剛構(gòu)墩支點(diǎn)和跨中橫斷面如圖2所示。

2.2 主梁預(yù)應(yīng)力體系

圖2 1/2中墩隔墻截面和跨中截面示意(單位:cm)

主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系?？v向預(yù)應(yīng)力束采用15－7φ5 mm、17－7φ5 mm 和19－7φ5 mm 3種高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa，鋼束的錨下張拉控制應(yīng)力為0.7fpk=1 302 MPa。由于3聯(lián)剛構(gòu)－連續(xù)組合梁相連，邊跨頂板、底板鋼束梁端設(shè)為固定端，采用單端張拉形式，其余縱向鋼束均采用兩端張拉。

頂板橫向預(yù)應(yīng)力采用每束4φ15.24 mm的鋼絞線，鋼絞線材料特性同縱向預(yù)應(yīng)力束。頂板橫向預(yù)應(yīng)力束采用單端交錯(cuò)張拉方式。

為了提高梁體抗剪能力，增加安全儲(chǔ)備，腹板豎向預(yù)應(yīng)力采用φ32 mm預(yù)應(yīng)力混凝土用精軋螺紋鋼筋。豎向預(yù)應(yīng)力縱向間距50 cm，在墩梁固結(jié)段，豎向預(yù)應(yīng)力筋深入墩身處4 m。

3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為減少下部結(jié)構(gòu)對(duì)梁部縱向變形的約束，橋梁下部的縱向剛度應(yīng)較小，而為了保證列車運(yùn)行的平穩(wěn)、安全，下部結(jié)構(gòu)的橫向剛度應(yīng)滿足一定要求。在能使橋梁結(jié)構(gòu)有一定縱向柔度的同時(shí)，橫向剛度較大并能滿足要求是下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要達(dá)到的目標(biāo)。對(duì)于高墩結(jié)構(gòu)，除了進(jìn)行常規(guī)的應(yīng)力強(qiáng)度檢算之外，設(shè)計(jì)中必須要考慮墩頂位移、墩身剛度、穩(wěn)定性、合龍頂推力、固端干擾力，溫度應(yīng)力的影響等等，設(shè)計(jì)難度大且復(fù)雜[3-6]。

顯效——餐后2h血糖處于8.0 mmol/L以內(nèi),FPG處于7.0 mmol/L以內(nèi),血糖得到穩(wěn)定控制;有效——餐后2h血糖處于11.0 mmol/L以內(nèi),FPG處于8.0 mmol/L以內(nèi),血糖較治療前明顯控制但未基本穩(wěn)定;無(wú)效——血糖控制效果未達(dá)預(yù)期目標(biāo)。

3.1 橋墩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在跨越險(xiǎn)峻溝谷的高墩橋梁中，矩形空心墩是高墩的主要形式之一，因可以節(jié)省圬工、減輕自重并降低對(duì)地基強(qiáng)度的要求，得到較廣泛的應(yīng)用。本橋3聯(lián)主橋墩高最高達(dá)到106 m，屬于典型的高墩結(jié)構(gòu)。橋墩設(shè)計(jì)采用矩形鋼筋混凝土空心墩，設(shè)置圓弧倒角過(guò)渡。

3.1.1 剛構(gòu)墩結(jié)構(gòu)形式的擬定

為減小主墩縱向剛度，在滿足墩身應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)、墩頂位移量、整體和局部穩(wěn)定要求的前提下，墩身的縱向尺寸需要減小。本橋墩頂截面外緣尺寸為8 m×8 m，第1聯(lián)和第3聯(lián)順橋向采用1∶0直坡，第2聯(lián)主墩受地質(zhì)條件影響，縱向由于承臺(tái)剛性角控制，外壁采用35∶1，內(nèi)壁采用70∶1變坡形式。為滿足全橋橫向剛度和主橋上、下部結(jié)構(gòu)的傳力要求，剛構(gòu)主墩橫向采用掃帚形。設(shè)計(jì)中對(duì)比了以下4種橋墩橫向結(jié)構(gòu)形式(以第2聯(lián)17、18號(hào)墩為例)，如圖3所示。

(1)外坡采用雙變坡形式，在墩頂以下70 m采用35∶1，70 m至承臺(tái)頂采用5∶1，內(nèi)坡采用70∶1的一次變坡形式，內(nèi)昆鐵路李子溝特大橋主墩橫向構(gòu)造采用這種變坡形式[2]。

(2)內(nèi)外坡均采用雙變坡形式，墩頂以下70 m外坡采用35∶1、內(nèi)坡采用70∶1;70 m至承臺(tái)頂外坡采用5∶1，內(nèi)坡采用8∶1。此種結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于形式1，在保證橫向剛度的同時(shí)節(jié)省了混凝土圬工，減輕了墩身自重。

(3)在形式2的基礎(chǔ)上，墩身理論變坡點(diǎn)，外坡設(shè)計(jì)采用R=120 m的圓弧過(guò)渡，內(nèi)坡設(shè)計(jì)了R=100 m的圓弧過(guò)渡，優(yōu)化了墩身的線形，增強(qiáng)了與山區(qū)環(huán)境的景觀效果的協(xié)調(diào)性。

(4)墩頂以下20 m采用1∶0直坡形式，20 m至承臺(tái)頂外坡采用R=407.794 4 m的圓曲線至承臺(tái)頂，內(nèi)坡采用R=678.091 4 m的圓曲線至實(shí)體段上。蘭渝線新井口嘉陵江四線特大橋(84+152+76)m連續(xù)剛構(gòu)主墩橫向采用這種形式。

本橋剛構(gòu)主墩采用圖3(c)墩身類型，橫向采用掃帚形式，上部較陡，下部較緩，且墩身內(nèi)外壁雙向變坡，減少了混凝土的工程量，設(shè)置圓弧倒角過(guò)度，使墩形變化漸緩，增強(qiáng)景觀效果。圖3(d)墩形采用圓曲線，雖然墩形變化沒(méi)有突變，但增加了施工難度。本橋采用矩形空心墩較雙薄壁墩對(duì)提高橫向剛度更為有利，對(duì)于墩高達(dá)到百米的超高墩結(jié)構(gòu)，矩形空心墩能提供較好縱向柔度，使之更接近連續(xù)梁。

3.1.2 空心墩實(shí)體段的設(shè)置

圖3 不同墩身截面形式比較(單位:cm)

本橋剛構(gòu)墩在墩頂處設(shè)置0.5 m實(shí)體段，并設(shè)R=80 cm的圓形進(jìn)人洞，活動(dòng)墩墩頂設(shè)置5 m實(shí)體段，各墩墩底均設(shè)置4 m的實(shí)體段。剛構(gòu)墩墩梁固結(jié)處設(shè)置較少的實(shí)體段，可減少墩頂?shù)募匈|(zhì)量，節(jié)約圬工又對(duì)橫向剛度有利。活動(dòng)墩墩頂實(shí)體段的設(shè)置使支座反力均勻的傳至墩壁，并減少活載沖擊力對(duì)墩壁的影響。墩壁與實(shí)體段之間有相互約束，應(yīng)力比較復(fù)雜，存在固端干擾力的影響，本橋在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)墩頂墩底的應(yīng)力乘以增大系數(shù)的方法，并考慮墩身的固端干擾應(yīng)力[7]。

3.2 墩頂彈性水平位移

剛構(gòu)－連續(xù)梁高墩橋墩頂位移量成為墩身截面需要考慮的控制條件。墩頂縱向水平位移是與墩身縱向剛度密切相關(guān)的，如果縱向剛度過(guò)大，則會(huì)增加混凝土收縮、徐變、制動(dòng)力、溫度力、活載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力;縱向剛度如果過(guò)小，則會(huì)增加墩頂水平位移量。墩頂?shù)臋M向水平位移是控制橋梁橫向剛度的要求之一。

高墩的墩頂水平位移由幾部分組成，縱向位移計(jì)入制動(dòng)力、縱向風(fēng)力等縱向外力引起位移ΔH，橫向位移計(jì)入離心力、橫向風(fēng)力、搖擺力等橫向外力引起的位移ΔL'，此外墩頂縱向、橫向水平位移都還應(yīng)包括基礎(chǔ)不均勻沉降引起的位移ΔD和日照溫差產(chǎn)生的位移ΔR。在日照溫差作用下，剛構(gòu)墩頂?shù)乃轿灰朴捎诙樟旱墓探Y(jié)不能完全釋放，從而產(chǎn)生很大的溫度附加力。墩身的日照溫差變形類似于梁體混凝土的收縮、徐變，是一個(gè)緩慢的過(guò)程，不可能突然集中的產(chǎn)生或者消退。因此日照溫差下墩頂?shù)乃轿灰瓶刹挥?jì)或者計(jì)入0.5倍的位移量。本橋剛構(gòu)墩頂處縱向彈性水平位移之和為41.89 mm，滿足縱向位移的要求，橫向位移最大為12.1 mm，滿足橫向位移40 mm的要求(L為橋墩兩側(cè)較小跨度)[1]。

3.3 橫向剛度

主橋橫向剛度除了要滿足墩頂橫向位移的要求外，還需要控制結(jié)構(gòu)自振特性，參考南昆鐵路四座大橋設(shè)計(jì)的要求(鐵道部建鑒[1992]93號(hào)文“關(guān)于南昆鐵路線四座大橋橫向剛度的補(bǔ)充技術(shù)要求”)，以其橫向自振周期T=1.7 s控制。本橋3聯(lián)最大橫向自振周期T=1.62 s，橫向剛度滿足要求[9]。

3.4 墩身穩(wěn)定性

空心高墩按照軸心受壓構(gòu)件驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。局部穩(wěn)定從試驗(yàn)分析得出當(dāng)壁厚t≥(1/10～1/15)b時(shí)，一般空心墩可不設(shè)置隔板(b為矩形截面板寬)。此外，墩身超過(guò)40 m墩壁不宜太薄，厚壁與薄壁相比，薄壁墩混凝土數(shù)量較少，但鋼筋用量較多，且增加施工難度，故目前高墩設(shè)計(jì)中，以采用厚壁墩較多。本橋剛構(gòu)墩墩頂壁厚1.5 m，截面8 m×8 m，活動(dòng)墩墩頂壁厚80 cm，墩頂橫向?qū)挾?1.4 m，空心墩的局部穩(wěn)定性得以保證，因此沒(méi)有設(shè)置橫隔板。

3.5 溫度應(yīng)力對(duì)墩身結(jié)構(gòu)的影響

空心墩由于墩內(nèi)通風(fēng)不良，且混凝土本身導(dǎo)熱性能低，故當(dāng)墩周氣溫發(fā)生驟變時(shí)，墩壁內(nèi)外產(chǎn)生較大溫差，截面溫度變形受到約束而產(chǎn)生溫度應(yīng)力?？招亩丈献饔玫娜照?、太陽(yáng)輻射及寒潮等溫差荷載模式依據(jù)資料介紹，按照指數(shù)曲線分布。寒潮降溫負(fù)溫差作用下墩壁外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓，日照升溫正溫差作用下則外側(cè)受壓，內(nèi)側(cè)受拉。本橋設(shè)計(jì)中采用不同軟件對(duì)墩身溫度應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，日照正溫差作用下，墩外壁最大壓應(yīng)力不超過(guò)5 MPa，墩內(nèi)壁拉應(yīng)力不超過(guò)3 MPa。由于空心墩截面尺寸遠(yuǎn)大于壁厚，徑向應(yīng)力相對(duì)于豎向應(yīng)力較小，設(shè)計(jì)時(shí)僅需要考慮空心墩的豎向應(yīng)力即可。此外，墩身高墩對(duì)溫度應(yīng)力影響不大[8]。

4 主橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本橋橋址地質(zhì)狀況復(fù)雜，橋址區(qū)土壤最大凍結(jié)深度為1.25 m。本橋覆蓋土層砂質(zhì)黃土具有濕陷性，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮黃土濕陷性對(duì)工程的影響。此外，橋址處巖溶主要發(fā)育為溶洞，溶洞呈弱發(fā)育形態(tài)。

該橋3聯(lián)剛構(gòu)-連續(xù)組合梁各個(gè)橋墩基礎(chǔ)地質(zhì)情況相差較大，11～14號(hào)墩和20～24號(hào)墩采用端承樁基礎(chǔ)，15～19號(hào)墩采用摩擦樁基礎(chǔ)。第2聯(lián)剛構(gòu)-連續(xù)組合梁17、18號(hào)剛構(gòu)主墩采用40根φ2.0 m鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)，第1、第3聯(lián)剛構(gòu)主墩分別采用24根和32根φ2.0 m端承樁基礎(chǔ)。墩身與群樁基礎(chǔ)是通過(guò)承臺(tái)聯(lián)結(jié)，承臺(tái)尺寸必須保證將墩底巨大的荷載向群樁基礎(chǔ)傳遞，并滿足剛性角的要求。本橋最大剛構(gòu)主墩17、18號(hào)墩設(shè)上下兩層承臺(tái)，下層承臺(tái)尺寸達(dá)到24.2 m×39.95 m。

5 合龍段頂推力的確定

對(duì)于大跨度剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋由于混凝土收縮徐變和合龍溫差等因素，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加次內(nèi)力和主墩的水平位移。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，減小墩底內(nèi)力和位移，在中跨合龍前施加頂推力。本橋設(shè)計(jì)采用施加3 000 kN的縱向水平推力。中跨合龍完成后，形成了穩(wěn)定的п結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行次中跨合龍，拆除臨時(shí)支座更換永久支座，最后邊跨合龍[10]。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合1座在建3－(60+3×100+60)m剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋?qū)嵗?，?duì)該類橋梁的設(shè)計(jì)總結(jié)出以下幾點(diǎn)。

(1)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋，其主墩的選型和設(shè)計(jì)是該類橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。既要滿足縱向柔度，還要保證橫向剛度。該橋主墩橫向采用內(nèi)外雙向放坡，并在理論變坡位置設(shè)置圓弧過(guò)渡的墩形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有傳力合理，經(jīng)濟(jì)性高，并與周圍山區(qū)景觀相協(xié)調(diào)等優(yōu)勢(shì)。

(2)高墩設(shè)計(jì)中，墩頂彈性水平位移量、墩身剛度、穩(wěn)定性、溫度應(yīng)力的影響、固端干擾力等方面的設(shè)計(jì)及控制要求是高墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

(3)通過(guò)合龍前施加頂推力，減小了剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋由于混凝土收縮徐變、合龍溫差等引起的附加次內(nèi)力，平衡了主墩水平位移，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)后期受力有利，增加了結(jié)構(gòu)安全度。

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