某跨越岷江的大跨預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)

劉 偉

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610017)

[定稿日期]2017-12-13

1 工程概況

犍為岷江二橋是國(guó)道213線犍為縣城區(qū)過(guò)境段工程中的一座重要大橋，也是犍為縣境內(nèi)跨越岷江的第二座大橋。該橋的建設(shè)一方面緩解了上游國(guó)道213線老岷江大橋和城區(qū)過(guò)境交通壓力，另一方面為岷江兩岸居民的生產(chǎn)、生活及出行帶來(lái)了極大方便。同時(shí)又建立了縣城第二條過(guò)江通道，保證應(yīng)急需要，為犍為縣的整體發(fā)展提供了交通便利。

主橋平面位于直線上，橋跨布置為(118+215+118) m預(yù)應(yīng)力砼三跨連續(xù)剛構(gòu)，橫向按雙幅分離、對(duì)稱布置。主梁采用單箱單室截面，主墩為雙薄壁墩。主橋立面如圖1所示。

圖1 主橋立面(單位：m)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)公路等級(jí)：一級(jí)公路；

(2)設(shè)計(jì)速度：60 km/h；

(3)荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)，人群荷載3.0 kN/m2；

(4)橋面寬度：26.5 m[2.25 m(人行道)+10.0 m(車行道)+2.0 m(中央分隔帶)+10.0 m (車行道)+2.25 m(人行道)]；

(5)地震基本烈度：Ⅶ度，50年超越概率10 %，地震動(dòng)峰值加速度為0.095g；

(6)主橋設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300；

(7)通航等級(jí)：Ⅲ-(3)；

(8)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；

(9)環(huán)境類別：I類；

(10)場(chǎng)地類別：Ⅱ類；

(11)環(huán)境的年平均相對(duì)濕度：80 %。

3 主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁構(gòu)造

主橋箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，半幅采用單箱單室截面，梁體采用C60砼。

箱梁頂板寬13.0 m，底板寬7.5 m，外翼板懸臂長(zhǎng)2.75 m；箱梁頂板設(shè)置成2 %單向橫坡，底板按水平設(shè)置。箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高4.6 m(箱梁高均以邊腹板外側(cè)為準(zhǔn))，墩頂根部梁高為13.7 m。從中跨跨中左右各1.0 m處至箱梁根部，箱高以1.6次拋物線變化。箱梁腹板在墩頂范圍內(nèi)厚120 cm，從箱梁根部至跨中梁段腹板有70 cm、60 cm、50 cm三種厚度。箱梁底板厚除墩頂范圍為180 cm外，其余梁段底板從箱梁根部截面的150 cm厚以1.5次拋物線漸變至跨中及邊跨合攏段截面的32 cm厚。

根據(jù)各梁段有效分布寬度的計(jì)算，箱梁底板與腹板相交處設(shè)有較大倒角。

箱梁0號(hào)段長(zhǎng)15.0 m，懸臂施工標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為13×3.0 m+15×4.0 m，全橋單幅共設(shè)3個(gè)合攏段，其長(zhǎng)度均為2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為9.25 m。1號(hào)～28號(hào)梁段采用掛籃懸臂澆筑施工，懸臂澆筑梁段最大控制重量2 779.4 kN(10#梁段)，掛籃設(shè)計(jì)自重1 400 kN(包括施工荷載)。

主橋跨中段設(shè)6道橫隔板(厚度0.8 m和0.5 m)，邊跨段設(shè)3道橫隔板(厚度0.8 m和0.5 m)，兼作體外束的轉(zhuǎn)向塊；在兩個(gè)主墩墩頂各設(shè)2道2.0 m厚的橫隔板，兼作體外束的錨固塊。

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼束

(1)縱向預(yù)應(yīng)力束。

箱梁頂板束(T系列鋼束)采用22φs15.2和24φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，腹板束(W系列鋼束)采用22φs15.2和24φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，中跨底板束(CB系列鋼束)采用24φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，邊跨底板束(SB系列鋼束)采用19φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，中跨合龍段頂板束(CT系列鋼束)采用22φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，邊跨合龍段頂板束(ST系列鋼束)采用24φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線。

(2)豎向、橫向預(yù)應(yīng)力束。

豎向預(yù)應(yīng)力束采用3φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線、低回縮錨具體系，箱梁腹板內(nèi)沿縱向每隔50 cm左右交錯(cuò)布置一束豎向預(yù)應(yīng)力束。10#、22#、30#梁段橫隔板設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力束。

箱梁頂板內(nèi)沿縱向每隔100 cm(0#段及端橫梁處間距為50 cm)設(shè)一道橫向預(yù)應(yīng)力束，采用2φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線。箱梁0#段和梁端橫梁內(nèi)均設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力束，采用5φs15.24高強(qiáng)低松弛鋼絞線。

(3)體外預(yù)應(yīng)力。

體外預(yù)應(yīng)力采用27φs15.2和19φs15.2環(huán)氧涂層鋼鉸線無(wú)連接成品索，熱擠HDPE防護(hù)。為防止主橋在運(yùn)營(yíng)期下?lián)线^(guò)大，箱梁內(nèi)體外束可進(jìn)行再次張拉，張拉控制應(yīng)力不超過(guò)1 116 MPa。

錨固系統(tǒng)：本橋體外預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)采用專用錨具，在橋梁運(yùn)營(yíng)期間可實(shí)現(xiàn)索力調(diào)整和整體換索。

轉(zhuǎn)向裝置：采用集束式轉(zhuǎn)向器，由無(wú)縫鋼管彎制而成，在鋼束出口處需要做類似喇叭口處理，實(shí)際加工長(zhǎng)度和樣式由體外預(yù)應(yīng)力生產(chǎn)廠家確定。

4 主橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主墩墩身采用分幅設(shè)計(jì)，墩身高度約30.0 m，采用鋼筋混凝土雙支薄壁墩身，承臺(tái)接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；每個(gè)墩身雙肢間凈矩6.0 m，每肢縱向厚度2.0 m，橫向?qū)挾?.5 m，兩側(cè)為圓端型；由于橫向間距較小，因此主墩承臺(tái)采用整體式，順橋向長(zhǎng)16.0 m，橫橋向?qū)?0.0 m，厚5.5 m；基礎(chǔ)按嵌巖樁設(shè)計(jì)，一個(gè)承臺(tái)采用18根直徑2.5 m鉆孔灌注樁。

交界墩采用矩形實(shí)體墩，左右分幅設(shè)計(jì)，斷面尺寸為5.0×3.3 m，承臺(tái)厚3.0 m，單幅樁基為4根φ2.0 m鉆孔灌注樁，樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1 整體靜力計(jì)算

本橋平面位于直線，采用左右分幅設(shè)計(jì)，橋?qū)捪鄬?duì)較小，因此主橋結(jié)構(gòu)采用軟件橋梁博士3.3.0計(jì)算，按梁?jiǎn)卧M(jìn)行主梁施工及成橋階段的結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，材料按線彈性計(jì)。永久作用包括：結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加力、混凝土收縮及徐變作用、基礎(chǔ)變位；可變作用包括：汽車荷載、人群荷載、溫度作用。

由運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力包絡(luò)圖可以看出，使用階段，主梁全截面受壓；荷載短期組合上緣最小壓應(yīng)力為1.17 MPa，下緣最小壓應(yīng)力為3.85 MPa，最大主拉應(yīng)力為1.0 MPa；荷載標(biāo)準(zhǔn)組合上緣最大壓應(yīng)力為18.0 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為13.5 MPa，最大主壓應(yīng)力為18.0 MPa。截面正應(yīng)力與主應(yīng)力均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

5.2 全橋穩(wěn)定計(jì)算

本橋主墩高度相對(duì)較小，為了有效地減少上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，減少混凝土收縮、徐變及溫度的影響，主墩采用順橋向抗推剛度較小的雙支薄壁墩，因此其穩(wěn)定問(wèn)題突出，特別是懸臂澆筑施工過(guò)程的穩(wěn)定性就成為設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的一個(gè)重要控制因素。為確保結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)采用Midas Civil2016軟件對(duì)該橋最大雙懸臂、最大單懸臂施工階段進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性計(jì)算。

模型中，除了考慮結(jié)構(gòu)自重外，還需考慮施工荷載及風(fēng)荷載。

(1)施工荷載。

施工荷載共考慮三種：

①梁段重量差，一側(cè)超重5 %，另一側(cè)減小5 %；

②掛籃、現(xiàn)澆塊件及施工機(jī)具的動(dòng)力系數(shù)，一端取1.2，另一端取0.8；

③施工臨時(shí)荷載，一側(cè)懸臂作用8.5 kN/m的均布荷載，并在懸臂端頭作用200 kN的集中力，另一端空載。

(2)風(fēng)荷載。

①橫橋向。

除了對(duì)稱加載外，還應(yīng)考慮不對(duì)稱加載，左側(cè)承受100 %橫向風(fēng)，右側(cè)承受50 %橫向風(fēng)，方向相同；橋墩承受100 %橫向風(fēng)。

由于主梁縱向高度不同，因此各點(diǎn)的風(fēng)力值也不同，計(jì)算時(shí)以一個(gè)梁段為單位計(jì)算。

②豎橋向。

參照BS5400，豎向風(fēng)壓取橫向風(fēng)壓的0.4倍。

除了對(duì)稱加載外，還應(yīng)考慮不對(duì)稱加載，左側(cè)承受100 %豎向風(fēng)，右側(cè)承受50 %豎向風(fēng)，方向相同。

(3)工況組合。

工況組合1：施工荷載+對(duì)稱風(fēng)荷載

工況組合2：施工荷載+不對(duì)稱風(fēng)荷載

(4)計(jì)算結(jié)果。

施工階段內(nèi)力最不利位置為墩底截面，最大雙懸臂墩底截面內(nèi)力見(jiàn)表1，最大單懸臂墩底截面內(nèi)力見(jiàn)表2。

表1 最大雙懸臂墩底截面內(nèi)力

由表1、表2所列結(jié)果看，風(fēng)荷載對(duì)稱與不對(duì)稱作用對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性影響不大，各工況下的穩(wěn)定特征值均大于5，說(shuō)明主墩在最大雙懸臂、最大單懸臂施工階段的穩(wěn)定性滿足

表2 最大單懸臂墩底截面內(nèi)力

施工要求，且最大單懸臂施工階段的穩(wěn)定特征值明顯高于最大雙懸臂施工階段。因此，在對(duì)稱懸澆施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制施工進(jìn)度及施工荷載的對(duì)稱性，確保結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)在80～ 220 m 跨徑范圍內(nèi)是一種相比于斜拉橋、拱橋等更加經(jīng)濟(jì)合理的橋型，本文以犍為岷江二橋?yàn)楸尘?，較為詳細(xì)介紹了大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

[1] JTG D60-2004 公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 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.

[4] 彭元誠(chéng)，汪金育，廖朝華，等.三區(qū)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.