鄭州隴海路高架160m特大連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)

郭 憶

（同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

1 工程背景及概況

1.1 工程背景

鄭州市隴海路高架跨南水北調(diào)特大橋（見圖1），跨越南水北調(diào)總干渠工程和賈魯河倒虹吸工程，分為南輔道、北輔道、高架南幅、高架北幅4部分。其中跨徑最大的為南輔道主橋，跨徑組合為:94m＋160m＋94m。北輔道、高架南幅、高架北幅跨徑組合均為90m＋150m＋90m。

1.2 南水北調(diào)及賈魯河倒虹吸工程概況

南水北調(diào)中線工程總干渠在本橋位處的橫斷面布置如圖2所示，根據(jù)南水北調(diào)相關(guān)部門的意見，總干渠堤岸區(qū)為87.74m（本工程與總干渠斜交38.1°，斜交后111.5m），范圍內(nèi)不能立墩，施工期間不允許搭設(shè)支架。賈魯河與總干渠的交叉建筑物為賈魯河倒虹吸工程，根據(jù)水利部門意見，倒虹吸工程泄水口內(nèi)不得立墩。

1.3 隴海路高架南水北調(diào)段道路總體設(shè)計(jì)

本工程為隴海路高架快速通道工程中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此道路平面、縱斷面、橫斷面均與隴海路高架快速通道的布置保持一致。主線高架和地面輔道通常采取的縱坡為1.2%～1.5%，豎曲線半徑為5 000～6 000m。隴海路跨渠大橋的橫斷面總布置（見圖3）組合為:18.5m南輔道＋1m隔離凈空＋25.5m主線高架＋1m隔離凈空＋18.5m北輔道，共計(jì)64.5m。

2 橋梁方案選型

根據(jù)總干渠堤岸區(qū)范圍不能立墩及施工期間不允許搭設(shè)支架的實(shí)際情況，在初步設(shè)計(jì)階段考慮了梁橋、拱橋、斜拉橋方案。綜合比較如表1所示。

圖1 鄭州市隴海路高架跨南水北調(diào)特大橋工程地理位置

圖2 南水北調(diào)總干渠斷面（單位：m）

圖3 橫斷面總布置面（單位：m）

考慮到本橋位于西三環(huán)以西，地理位置偏僻，在滿足交通功能的前提下應(yīng)盡量減少投資規(guī)模。梁橋方案可保證橋梁施工和南水北調(diào)總干渠的施工不沖突，造價(jià)最經(jīng)濟(jì)，施工方法工藝成熟，國內(nèi)施工單位具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)初步設(shè)計(jì)專家評審選定為最終的橋型方案。

3 特大跨連續(xù)梁設(shè)計(jì)

3.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋按照道路橫斷面布置，結(jié)構(gòu)分為四幅橋面。由于篇幅限制，本文以南輔道橋?yàn)槔榻B橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 方案綜合比較表

南輔道主橋跨徑布置:94m＋160m＋94m＝348m，橋?qū)挒?8.5m。如圖4所示。

上部結(jié)構(gòu)支點(diǎn)梁高11m，為跨徑的1／14.5，跨中梁高3.8m，為跨徑的1／42.1。箱梁全寬為18.3m，梁底寬12.5m，懸臂長2.9m；橫斷面為單箱雙室，頂板設(shè)置2.0%單向橫坡，根據(jù)橫向框架計(jì)算，確定頂板的厚度為28cm，跨中底板厚度為32cm，支點(diǎn)的底板厚度為100cm；腹板中距為6m，腹板寬度為50～90cm。

上部結(jié)構(gòu)縱向?yàn)槿A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。橫向橋面板及橫梁為鋼筋混凝土構(gòu)件，腹板為部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件，箱梁斷面如圖5所示。

3.2 主橋結(jié)構(gòu)靜力分析

箱梁為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用C55砼，主要計(jì)算荷載為恒載、公路－I級及人群荷載。預(yù)應(yīng)力布置按照懸臂施工的配束方式。

3.2.1 上部縱向計(jì)算結(jié)果

主要計(jì)算結(jié)果如表2所示 （表中正號為壓應(yīng)力，負(fù)號為拉應(yīng)力）。

圖4 南輔道橋總布置面（單位：m）

圖5 箱梁斷面（單位：mm）

表2 上部結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果MPa

從表2可知，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。另外，考慮到橋梁的重要性和施工情況的復(fù)雜性，除按規(guī)范進(jìn)行計(jì)算外，還考慮了砼超方5%，砼少方5%，鋪裝超厚2.3cm，預(yù)應(yīng)力超張拉6%，預(yù)應(yīng)力少張拉6%等工況，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 上部橫向計(jì)算結(jié)果

取縱向?yàn)?m長的箱梁進(jìn)行橫向框架計(jì)算（見圖6），橫向按實(shí)際位置加載恒載、活載，并考慮箱室內(nèi)外溫差8°及底板處縱向預(yù)應(yīng)力的下蹦力。不同腹板寬度取最高、最矮的斷面進(jìn)行計(jì)算，共計(jì)算6個(gè)斷面。

頂?shù)装灏翠摻罨炷翗?gòu)件計(jì)算，最大裂縫寬度為0.18mm，小于0.2mm，滿足規(guī)范要求。腹板按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計(jì)算，主要計(jì)算結(jié)果如表3所示，均滿足規(guī)范要求。

圖6 橫向框架計(jì)算模型

表3 上部結(jié)構(gòu)橫向腹板主要計(jì)算結(jié)果 MPa

3.2.3 下部計(jì)算結(jié)果

短期效應(yīng)（僅考慮結(jié)構(gòu)自重及汽車人群荷載）下，主墩單樁軸向設(shè)計(jì)最大荷載為15 298kN，單樁軸向受壓承載力容許值為17 730kN；短期效應(yīng)（永久作用于可變作用組合）下，主墩單樁軸向設(shè)計(jì)最大荷載為19 244kN，單樁軸向受壓承載力容許值為22 162kN，滿足規(guī)范要求。

3.3 抗震設(shè)計(jì)和計(jì)算分析

根據(jù)靜力計(jì)算，本橋的中墩選用豎向承載力為80 000kN的支座，邊墩選用豎向承載力9 000kN的支座，如采用常規(guī)支座進(jìn)行抗震計(jì)算，在E1地震下，主墩支座的水平力已經(jīng)達(dá)到豎向承載力的35%，邊墩達(dá)到60%；在E2地震下，主墩支座的水平力已經(jīng)達(dá)到豎向承載力的52%，邊墩達(dá)到86%；對墩柱截面及樁基進(jìn)行驗(yàn)算，顯示采用常規(guī)支座樁基無法滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防要求，因此本橋需進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)。

本橋選用摩擦擺式減隔震支座，經(jīng)多次計(jì)算后，選定支座參數(shù)如表4所示。

表4 摩擦擺式減隔震支座參數(shù)表

采用減隔震支座后，通過E1和E2兩個(gè)水準(zhǔn)地震時(shí)程分析，在E1和E2的水準(zhǔn)地震作用下，橋墩及樁基抗彎強(qiáng)度都能夠滿足預(yù)期的抗震性能要求；支座位移在縱橋向最大位移為106mm，在橫橋向最大位移為118mm。采用減隔震支座后，橫橋向設(shè)置抗震擋塊，縱橋向在主梁與引橋箱梁間設(shè)置橡膠塊，以緩解地震時(shí)的撞擊作用和限制梁的位移。

3.4 特大跨連續(xù)梁設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)和解決措施

與常規(guī)連續(xù)梁相比，特大跨連續(xù)梁橋存在的主要問題有兩方面:一是按常規(guī)梁高，由于采用全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，截面開裂彎矩值較大，大部分?jǐn)嗝嫘柙黾哟罅科胀ㄤ摻睿瑵M足正截面抗彎承載能力設(shè)計(jì)值大于正截面開裂彎矩值，達(dá)到規(guī)范最小配筋率要求；二是由于結(jié)構(gòu)自重大，中支點(diǎn)附近的剪力很大，需要加大腹板尺寸才能滿足截面的抗剪構(gòu)造要求。

因此本橋的加大支點(diǎn)梁高達(dá)為11m，高跨比為1／14.5，能夠滿足規(guī)范的構(gòu)造要求；同時(shí)減小跨中梁的高為3.8m，高跨比為1／42，以減輕跨中部分的自重，減小支點(diǎn)附近剪力。

4 特大跨徑連續(xù)梁施工要點(diǎn)

1）主橋連續(xù)梁采用分段懸臂澆筑施工，對稱平衡施工張拉預(yù)應(yīng)力，兩端懸臂上荷載的實(shí)際不平衡偏差不大，超過當(dāng)前澆筑節(jié)段砼重量的10%。達(dá)到最大懸臂時(shí)，先澆筑邊跨合龍段再解除相應(yīng)橋墩的臨時(shí)支撐，最后主跨合龍，完成體系轉(zhuǎn)換；

2）施工過程中對C55高性能混凝土嚴(yán)格控制質(zhì)量，對配合比、粗細(xì)集料、水泥、水、外加劑、摻合料等均需進(jìn)行嚴(yán)密把控；

3）混凝土齡期達(dá)到10d，且強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%后方可張拉該節(jié)段的預(yù)應(yīng)力；

4）在施工過程中需進(jìn)行線形和應(yīng)力監(jiān)控。

5 結(jié) 論

經(jīng)業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、監(jiān)控各方的共同努力，鄭州市隴海路高架跨南水北調(diào)特大橋已于2015年1月建成通車。根據(jù)成橋檢測報(bào)告，當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到控制荷載時(shí)，橋梁測試截面的撓度均小于相應(yīng)的理論值，橋梁測試截面應(yīng)變測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)的均值小于1，橋梁上部結(jié)構(gòu)整體剛度及承載能力滿足公路—I級規(guī)范要求。在特大跨徑連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意和解決以下問題:

1）箱梁適當(dāng)增加支點(diǎn)梁高，減小跨中梁高，以滿足規(guī)范的構(gòu)造要求；

2）箱梁除按規(guī)范要求計(jì)算外，還應(yīng)考慮超方、少方、超鋪裝、超張拉、少張拉等工況，確保大橋安全，箱梁除進(jìn)行縱向計(jì)算外，還應(yīng)進(jìn)行橫向框架計(jì)算，確定合理的頂?shù)装宄叽缂柏Q向預(yù)應(yīng)力規(guī)模；

3）由于上部質(zhì)量大，地震效應(yīng)大，應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；

4）在施工過程中應(yīng)進(jìn)行線形和應(yīng)力監(jiān)控。

［1］ 鮑衛(wèi)剛，周泳濤.預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋梁設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南［M］.北京:人民交通出版社，2009.

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