水庫深水高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設計

黃毅，劉紅杰，胡嵐

（1.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州450000；2.中南建筑設計院股份有限公司，湖北武漢430071）

水庫深水高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設計

黃毅1，劉紅杰1，胡嵐2

（1.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州450000；2.中南建筑設計院股份有限公司，湖北武漢430071）

四川大渡河大崗山水電站庫區(qū)S211省道淹沒復建公路田灣河大橋主梁跨徑為（78＋140＋78）m，主墩高為89.5m和70m。探討了橋梁上部結(jié)構(gòu)（箱梁尺寸、預應力體系）和下部結(jié)構(gòu)的設計，對全橋進行靜力分析。

四川大渡河；田灣河大橋；深水；高墩；大跨連續(xù)剛構(gòu)橋；靜力分析

0 引言

隨著我國交通工程和水利工程的飛速發(fā)展，越來越多的跨大江、大河、水庫的橋梁不斷涌現(xiàn)，不可避免地會出現(xiàn)很多深水高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁。深水高墩連續(xù)剛構(gòu)橋由于具有高墩、深水、大跨的特點，其受力特征也比較獨特。筆者針對四川大渡河大崗山水電站庫區(qū)S211省道淹沒復建公路田灣河大橋，采用MIDAS CIVIL有限元軟件對其進行靜力分析，探討橋梁的結(jié)構(gòu)尺寸、預應力體系和整體結(jié)構(gòu)設計的合理性。

1 工程概況

田灣河大橋是大渡河大崗山水電站庫區(qū)S211省道淹沒復建公路交通線上的重要組成部分，是保障石棉縣至瀘定縣交通線貫通的重要節(jié)點。該橋位于田灣河和大渡河的交匯處，全橋橫跨田灣河，是秀麗大山中的一顆璀璨明珠。

田灣河大橋為預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，寬為8m，兩側(cè)設置0.5m寬的防撞護欄，全長為304.16m，橋跨布置為78m＋140m＋78m。該橋上部構(gòu)造為單箱單室變截面箱型梁，主橋墩身上部采用雙肢變截面矩形實心墩，主墩高度為89.5 m和70 m。橋梁設計荷載按公路Ⅰ級進行設計，掛車－300進行校核，抗震設防烈度為Ⅷ度。橋型布置如圖1所示。

圖1 田灣河大橋橋型布置圖（單位：cm）Fig.1 Bridge type arrangement of Tianw an r iver b ridge（U nit：cm）

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 上部結(jié)構(gòu)設計

2.1.1 箱梁構(gòu)造

在預應力混凝土橋梁中，隨著跨徑的增加，恒載占結(jié)構(gòu)受力的比重越來越大［1］。所以，為了保證梁體有足夠的承載能力和應力幅度，本橋采用了高強度的C55混凝土，從而有效地減輕了橋梁自重，使得橋梁的安全性大大增強。

主橋140m跨箱梁采用單箱單室直腹板斷面，頂板寬度為8m，箱梁根部梁高為8.5m，跨中及邊跨合龍段梁高為3m，箱梁底板下緣按1.8次拋物線變化。箱梁0＃塊底板厚度為100 cm，從懸臂根部至懸澆段，各梁段底板厚按1.8次拋物線由96.3 cm變?yōu)?2 cm，跨中合龍段及邊跨現(xiàn)澆段底板厚度為32 cm。在大樁號側(cè)邊跨現(xiàn)澆段設置直徑為60 cm的人洞。箱梁0＃塊頂板厚度為50cm，其余節(jié)段為25cm。箱梁0?！?＃塊的腹板厚度為70 cm，10＃塊的腹板厚度為70～50cm，其余梁段的腹板厚度為50cm。主梁懸臂長度為1.75m，翼緣外側(cè)厚為15 cm，根部厚為60cm，采用折線變化。邊跨現(xiàn)澆段處設置寬度為1.6m的端橫梁。端橫梁設置伸縮縫處的翼緣厚度統(tǒng)一加厚至100 cm。箱梁橫斷面如圖2所示。

圖2 箱梁橫斷面圖（單位：cm）Fig.2 Cross－sectional view of the box girder（Unit：cm）

按照各節(jié)段重量不宜相差太大、節(jié)段長度不宜太長、節(jié)段數(shù)不宜太多的原則，全梁共劃分了76個梁段。懸臂澆筑節(jié)段的長度有3.0m、3.5m和4.0m3種，0＃梁段長12m，合龍段的長度均為2.0m，邊跨現(xiàn)澆段長為7.0m。最大懸臂澆筑塊重1 300 kN。

2.1.2 箱梁預應力結(jié)構(gòu)

主梁采用兩向預應力結(jié)構(gòu)?？v向預應力分為頂板束、腹板束、底板鋼束3種，采用19φs15.2mm、15φs15.2mm的高強度低松弛預應力鋼絞線，其抗拉強度標準值fpk＝1 860MPa，鋼束張拉控制應力為1357.8MPa，其張拉控制力分別為361.2 t和285.1 t。豎向預應力采用JL32的高強精軋螺紋粗鋼筋，抗拉強度標準值（材料屈服點σ0.2）為930MPa，張拉控制應力為837MPa，張拉控制力為67.3 t。

2.2 下部結(jié)構(gòu)設計

在水庫完成蓄水后，橋墩大部分浸泡在水中。通過對雙肢空心墩與實心墩進行多次比較分析，田灣河大橋橋墩采用鋼筋混凝土雙肢變截面矩形實心墩與主梁固結(jié)。實體墩不但施工方便，而且橋墩各個截面處水壓力平衡，給橋墩提供了較大的抗力，使橋墩在動水壓力作用下的安全系數(shù)較大。單肢橋墩順橋向尺寸為2.5m，橫橋向墩頂尺寸為6.5m，并以1∶100的斜率往下放坡；承臺采用矩形斷面，橫橋向長為14.6m，順橋向?qū)挒?2.0m，厚為4.0m；基礎(chǔ)采用6φ250 cm鉆孔灌注樁。

3＃橋臺采用樁接蓋梁型橋臺，樁基直徑為2.0m；0＃橋臺采用重力式橋臺，承臺橫橋向尺寸為11.5m，順橋向尺寸為7.8m，厚為2.5m，樁基直徑為1.4m。

3 靜力計算分析

3.1 邊界條件

本橋上部結(jié)構(gòu)靜力分析采用邁達斯（Midas Civil）軟件，計算內(nèi)容包括：成橋狀態(tài)下恒載、車道荷載、預應力、混凝土收縮徐變（按3 650 d計）、支座強迫位移（按1.0 cm計）、均勻溫度作用（升、降溫分別按＋29.2℃、－18.9℃計）、豎向梯度溫度作用（按T14／5.5℃取值［2］）等。按有關(guān)規(guī)范規(guī)定，對各種作用進行不同的組合，對結(jié)構(gòu)的持久狀況承載能力極限狀態(tài)、持久狀況正常使用極限狀態(tài)、持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應力等分別進行計算［3］。

3.2 主梁驗算

（1）使用階段正截面抗裂驗算。按全預應力構(gòu)件設計的橋梁，在使用階段，正截面應存在拉應力［4］。該橋主梁結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，中墩墩頂處最大拉應力為－0.02MPa。由于墩頂處截面失真，可以不考慮該處拉應力影響。所以，在使用階段，主梁正截面積抗裂應力滿足規(guī)范要求。

圖3 田灣河大橋主梁正截面抗裂應力圖Fig.3 Crack resistance stress of Tianwan r iver b ridge girder normal section

（2）施工階段法向壓應力驗算。規(guī)范要求，在施工階段，主梁法向壓應力限值為19.88MPa。該橋主梁在施工階段的法向壓應力計算結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，該橋主梁在施工階段的法向壓應力最大為14.59MPa。故滿足要求。

圖4 田灣河大橋主梁施工階段法向壓應力圖Fig.4 Normal stress of Tianwan r iver b ridge girder construction phase

（3）承載能力極限強度驗算。箱梁截面承載能力極限組合抗力與抗力對應內(nèi)力計算結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，該橋抗彎承載能力極限強度均滿足規(guī)范要求。

上部箱梁結(jié)構(gòu)的持久狀況承載能力極限狀態(tài)的最不利位置在跨中處，結(jié)構(gòu)內(nèi)力為141 779.1 kN·m，結(jié)構(gòu)抗力為143973.1 kN·m。上部箱梁結(jié)構(gòu)的持久狀況正常使用極限狀態(tài)下，最小正應力為0.132 MPa（墩頂截面處應力失真），跨中正應力儲備為1.6 MPa，可有效預防連續(xù)剛構(gòu)橋梁的跨中下?lián)希?］。上部箱梁結(jié)構(gòu)持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應力最不利位置在跨中附近，最大壓應力為16.9MPa，容許壓應力為17.8 MPa，留有足夠的壓應力儲備，施工階段法向壓應力限值為19.88MPa，施工階段法向壓應力為14.59MPa。因此，上部結(jié)構(gòu)箱梁的計算均滿足規(guī)范要求。通過優(yōu)化鋼束配置，使跨中下緣的壓應力儲備較大，可以有效預防跨中下?lián)蠁栴}。

3.3 橋墩驗算

在靜力工況下，并考慮橋梁受橫橋向和順橋向風力作用，計算橋墩軸力，其結(jié)果如表1所示。在荷載作用下，橋墩裂縫計算結(jié)果如表2所示。

圖5 箱梁截面承載能力極限組合抗力及抗力對應內(nèi)力圖Fig.5 Box girder section carrying capacity lim itation combination resistance and corresponding internal force

表1 橋墩軸力表Tab.1 Axial force of pier

由表1可以看出，1＃橋墩墩頂內(nèi)力為57787.4kN，截面抗力為252276.2kN，墩底內(nèi)力為112 804.1 kN，截面抗力為350 373.0 kN；2＃橋墩的墩頂內(nèi)力為43 145.2 kN，截面抗力為320 791.8 kN，墩底內(nèi)力為102 866.1 kN，截面抗力為316 926.6 kN。所以，橋墩處于小偏心受壓構(gòu)件。

由表2可知，橋墩墩頂截面的最小裂縫為0.096 mm，墩底截面的最小裂縫值為0.185 mm。因此，實體墩的抗力遠遠大于截面內(nèi)力，可有效抵抗水庫中的動水壓力，并且橋墩的裂縫值富裕度較大，保證了橋墩在深水水庫中的安全。

4 結(jié)語

田灣河大橋在上部結(jié)構(gòu)設計時，跨中正應力儲備為1.6MPa，可有效預防連續(xù)剛構(gòu)橋梁的跨中下?lián)稀Ｔ谙虏拷Y(jié)構(gòu)設計時，高橋墩采用了實體墩的形式，不僅便于施工，還使得橋墩在深水中同一截面處的水壓力均衡，并提供較大的抗力，使橋墩在動水壓力作用下有足夠的安全系數(shù)。

表2 橋墩裂縫表Tab.2 Crack of pier

［1］張繼堯，王昌將.懸臂澆筑預應力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京：人民交通出版社，2003：101.

［2］JTG D 60－2004，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.

［3］鮑衛(wèi)剛，周泳濤.預應力混凝土梁式橋梁設計施工技術(shù)指南［M］.北京：人民交通出版社，2009：132－150.

［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］.

[責任編輯 楊明慶]

U441

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10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.002

2016-04-19

黃毅（1984－），男，湖北仙桃人，工程師，碩士研究生，主要從事道路橋梁的設計研究。