鯉魚塘水庫排沙放空洞交通橋下部結構設計

翟 曉 斌

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙　410014；2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌　443002)

鯉魚塘水庫排沙放空洞交通橋下部結構設計

翟 曉 斌1、2

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙410014；2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌443002)

摘要：鯉魚塘水庫排沙放空洞交通橋橋墩置于軟巖上，墩身高達22.051 m，承受較大的橫向力。經(jīng)選用實體式橋墩并對其基礎及巖基采用錨筋、錨索、網(wǎng)格梁等加固型式進行處理后完建，通過八年多時間的安全運行，證明以上措施較好地解決了工程難題。

關鍵詞：交通橋；橋梁基礎；結構設計；鯉魚塘水庫

1工程概述

鯉魚塘水庫為重慶市開縣境內(nèi)的Ⅱ等大(2)型工程，水庫正常蓄水位高程450 m，總 庫 容 為

1.034 5億m3，首部樞紐混凝土面板堆石壩最大壩高103.8 m，采用右岸岸邊開敞式溢洪道、左岸排沙放空洞、左岸引水隧洞和岸邊地面廠房的總體布置方案。該水庫排沙放空洞與引水隧洞并行布置在左岸，兩洞進口設置成“雙塔”型式，排沙放空洞頂部進口檢修塔頂設有交通橋與左岸上壩公路相連，該交通橋也是左岸引水隧洞頂部通往壩址左岸的唯一通道。

該橋橋址位于排沙放空洞進口左岸邊坡，自然坡角45°，基巖裸露，巖性組合為砂巖、粉砂巖、泥巖互層結構，泥巖巖性軟弱，泡水易軟化。橋墩基礎地基允許承載力為1.5～3 MPa。區(qū)域地質(zhì)構造相對穩(wěn)定，地震基本烈度小于Ⅵ度，按Ⅵ度設防。

橋式結構為(2×20)m連續(xù)橋面簡支梁，全長40 m，立面結構見圖1。橋梁采用20 m裝配式鋼筋混凝土T形梁，橋梁凈寬度為4 m，設計荷載為汽車—15級、掛車—80[1]；在墩頂及臺頂每梁梁端各設200 mm×300 mm×49 mm板式橡膠支座1個，全橋共設8個。

橋梁的下部結構采用C20鋼筋混凝土實體墩；岸邊橋臺采用U形重力式橋臺，橋臺材料為C15埋石混凝土，橋臺基礎尺寸為6.6 m×7.905 m×9.3 m(順橋向×橫橋向×高度)。

當?shù)仄咴路萜骄鶜鉁貫?0 ℃，極端最高氣溫為42 ℃，一月份平均氣溫為5 ℃。要求簡支梁安裝及橋面連續(xù)施工的溫度為15 ℃～25 ℃，伸縮縫安裝溫度為15 ℃～25 ℃。

橋墩與橋臺均為明挖基礎。鑒于橋臺型式較為常見，故不再贅述，筆者主要介紹該橋的橋墩、基礎及附屬設施的設計。

2下部結構設計

2.1橋墩結構型式

考慮到該橋墩位于深水庫(庫水深為90 m)中且處于泄水建筑物進口附近，水流波動較大，故橋墩采用圓端形實體重力墩，橋墩側坡坡比為59.86∶1，墩身壁厚1.1～1.8 m，寬3.3～4 m，高22.051 m。墩頂設墩帽，墩帽尺寸為1.2 m×4.4 m×1.4 m(順橋向×橫橋向×高)，墩帽頂設外露式墊石以放置橡膠支座，兩側矩形端頭高出墩帽頂0.3 m做防震擋板。

2.2橋墩設計要點

2.2.1制動力取值

根據(jù)相關規(guī)范規(guī)定，當橋涵為一或二車道時，汽車荷載產(chǎn)生的制動力為布置在荷載長度范圍內(nèi)一行汽車車隊總重力的10%，但不小于一輛重車的30%[2]、[3]。對于所選定的汽車荷載，在40 m范圍內(nèi)，全橋可布置一輛200 kN的加重車和兩輛150 kN的標準車[1]、[3](圖2)，根據(jù)比較，將制動力取為60 kN。制動力按墩臺及支座頂部集成剛度進行分配[3]，兩側橋臺各為20.16 kN，橋墩為19.67 kN。

2.2.2荷載計算分析

對于該工程，橋梁承受的荷載主要有縱向水平力、風壓力(含橫橋向和縱橋向)、浪壓力、豎向力四類,其中后三類荷載需考慮蓄水前后兩種情況。

圖1　橋式立面結構圖(上游視 單位：mm)

圖2　汽車-15級荷載縱向分布圖(單位：m)

縱向水平力主要有溫度影響力、混凝土收縮影響力及制動力等。其中溫度影響力為溫度變化(溫升或溫降)對結構的影響，該工程考慮溫降20 ℃與溫升27 ℃。按規(guī)范[4]要求，簡支梁結構不計混凝土收縮影響力。但該工程因采用現(xiàn)澆結構，落梁之前混凝土干縮尚不充分，故按溫降10 ℃考慮混凝土收縮效應[3]。對縱向水平力進行組合分析后得知：橋墩頂支座最大剪切變形正切值為0.08，小于橡膠支座允許剪切角正切值0.7，滿足規(guī)范要求[4]。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，橫橋向風力按作用于欄桿、T梁及橋墩上考慮，縱橋向風力不計橋面結構及上承式梁所受的風荷載，橋墩上的縱橋向風荷載標準值按橫橋向風壓的70%乘以橋墩迎風面積計算[2]。風荷載計算成果見表1。

表1　風荷載計算成果表

蓄水運行工況，考慮橋墩長邊方向浪壓力作用，經(jīng)計算得知，作用在橋墩上的浪壓力為149.58 kN，對墩身底彎矩為2 915.23 kN·m。

豎向力包括每個橋墩承受的恒載(結構重力)、汽車-15級荷載(計沖擊力)、人群荷載、掛車-80荷載等。使墩身縱橋向受到最大偏心彎矩的汽車-15級的布置情況見圖2，橋橫向布置一列車。對豎向力進行組合分析得知，支座承受的最大壓應力為9.41 MPa，小于橡膠平均容許壓應力10 MPa，滿足規(guī)范要求[4]。

2.2.3荷載組合分析

根據(jù)以上荷載分析得知，該工程荷載組合分為縱橋向與橫橋向兩類，縱橋向有4種荷載組合，詳見表2；橫橋向只有一種荷載組合，即恒載+汽車橫向偏心+橫向風力組合。

對于各方向荷載組合，考慮縱、橫向風力不同時計入，初步形成以下4種不利組合：

表2　縱橋向荷載組合分析表

注：(1)掛車不計制動力，且不考慮與溫度變化影響力等非經(jīng)常性外力作用組合，不為控制組合，不作組合計算；

(2)[(溫降+混凝土收縮)影響力+制動力]較之[溫升影響力+制動力]為大，后者不作組合計算。

(1)組合1，蓄水前工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動力)+縱向風力荷載組合；

(2)組合2，蓄水前工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動力)+橫向風力荷載組合；

(3)組合3，蓄水運行工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動力)+縱向風力、浪壓力荷載組合；

(4)組合4，蓄水運行工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動力)+橫向風力荷載組合。

以上4種組合的墩底截面外力計算成果見表3。

表3　墩底截面外力計算成果表

經(jīng)比較，以組合3為主控制設計，其結構設計中應首先計算組合3，再對組合2加以驗算。

2.2.4橋墩的縱橫向偏心距增大系數(shù)η

根據(jù)規(guī)范要求[4]，在計算偏心受壓構件時，對于長細比l0/i>17.5的構件，需考慮偏心距增大系數(shù)η。η與構件計算長度l0有關。而要確定偏心距增大系數(shù)，需先確定構件計算長度l0。對于縱橋向，其橋墩底端固結于基礎頂，上端受橡膠支座和相鄰各孔墩臺及其支座的彈性約束，l0按剛度集成方法[4]計算為34.82 m；對于橫橋向，由于相鄰各孔墩臺及其支座的彈性約束較弱，出于偏安全考慮，按一端固定，一端自由考慮，取l0=2l=44.102 m。

經(jīng)計算，對于該橋，橫橋向長細比為45>

17.5，需考慮偏心距增大系數(shù)；而縱橋向一般均須考慮偏心距增大系數(shù)?？v橫向偏心距增大系數(shù)按文中“2.2.3”節(jié)荷載組合情況分別進行計算。

2.2.5墩身配筋設計

橋墩截面按雙向偏心受壓構件采用式(1)進行驗算[4]。

(1)

式中Nj為軸向力設計值；Nux為按軸向力及彎矩作用于x軸方向、考慮偏心距增大系數(shù)ηx后截面偏心受壓承載力設計值按一般單向偏心受壓構件計算；Nuy為按軸向力及彎矩作用于y軸方向、考慮偏心距增大系數(shù)ηy后截面偏心抗壓能力，按一般單向偏心受壓構件計算；Nuo為截面軸心抗壓承載力設計值，但不考慮縱向彎曲系數(shù)φ。

根據(jù)上述分析，將有關數(shù)值代入式(1)，經(jīng)計算并考慮結構斷面構造要求[4]，墩身主筋選用56φ28(Ⅱ級鋼筋)。

最后尚需對墩身進行施工工況驗算[2]。此時在考慮上部結構單向偏心加載時，僅計及上部結構自重和順橋向風力，按順橋向單向偏心受壓計算，單孔上部結構自重僅計及梁體預制及現(xiàn)澆混凝土、橋面鋪裝混凝土，經(jīng)驗算，結構安全。

2.3橋墩基礎處理

C20實體混凝土墩基礎置于左岸擴挖邊坡上，基礎尺寸為5.65 m×5.6 m×8.5 m(順橋向×橫橋向×高)，基礎底部高程為421.5 m。由于該橋墩基礎基巖巖性組合中泥巖占52%，其開挖暴露在空氣中后經(jīng)冷熱及干濕循環(huán)極易崩解，強度迅速降低，故橋墩基礎巖基開挖到位后應立即進行封閉，同時迅速采用錨索、網(wǎng)格梁、錨筋等構造措施將橋墩基礎及其附近巖坡進行加固處理，將基礎與地基連成一體、共同承力，以確?；A安全，具體作法為：

(1)在橋墩基礎與巖石交接部位設錨筋與錨索。錨筋采用φ25、設6排、共12根，錨筋孔深5 m，錨索采用1 000 kN粘結式預應力錨索，設2排、共4根，每排深入基巖深度分別為25 m、35 m；

(2)橋墩基礎下部開挖邊坡設網(wǎng)格梁、錨索與錨筋。在高程419 m邊坡處設置8 m長C30混凝土網(wǎng)格梁一道，內(nèi)設2根1 000 kN錨索，深入基巖30 m；網(wǎng)格梁內(nèi)上下側另各設1排、共8根φ25錨筋，孔深2.5 m。此外，在網(wǎng)格梁外上、下高程417.5 m和420.5 m邊坡處各設1排、共8根φ32錨筋，間距3 m，孔深8.7 m。

3結語

排沙放空洞交通橋下部結構于2007年4月6日開始澆筑，6月27日完成澆筑，8月底水庫開始蓄水，蓄水過程中的交通橋形象見圖3、4。目前，該工程已安全運行近9年，實際情況證明該橋下部結構的設計是較為成功的。

圖3　工程蓄水至高程391 m時的交通橋

圖4　工程蓄水至高程442 m時的交通橋

排沙放空洞交通橋作為鯉魚塘水庫“雙塔”運行、檢修的要道，設計人員對其下部結構在結構型式、受力及整體構造要求上都進行了嚴密的思考與分析，最終形成了一個安全適用、結構合理、型式美觀的設計方案并予以實施，取得了較好的效果，從而為軟巖地區(qū)水庫的橋梁下部結構設計提供了新思路。

參考文獻：

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[2]JTG D60—2004, 公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[3]袁倫一. 連續(xù)橋面簡支梁橋墩臺計算實例(修訂版)[M].北京：人民交通出版社, 1998.

[4]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

收稿日期:2015-12-12

中圖分類號:[TU997];TV7;TV222

文獻標識碼:B

文章編號:1001-2184(2016)03-0073-04

作者簡介:

翟曉斌(1980-)，男，河南鞏義人，副主任工程師，高級工程師，學士，從事水工結構設計工作.

(責任編輯：李燕輝)