矮腿Y形墩曲線連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)與施工

Y形墩連續(xù)剛構(gòu)一般用于墩柱較高的工程，以降低結(jié)構(gòu)因整體升降溫及收縮徐變引起的次內(nèi)力。本文依托背景工程，通過(guò)合理考慮橋梁基礎(chǔ)的支撐剛度，解決了非軟土地區(qū)矮腿Y形墩連續(xù)剛構(gòu)的受力難題。同時(shí)研究了其施工方法，將國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程常采用的掛籃或者支架小節(jié)段澆筑，調(diào)整為長(zhǎng)節(jié)段支架法現(xiàn)澆，全橋梁段共分成三期澆筑，減少了工序，顯著縮短了工期。

1 工程概況

鄭州市鄭東新區(qū)龍湖29#橋上跨東運(yùn)河，設(shè)計(jì)方案采用了具有較強(qiáng)現(xiàn)代感和科技感的造型。見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁效果

29#橋全長(zhǎng)132.2 m，道路中心線位于半徑850 m的平曲線上，雙向六車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速50 km/h。主體結(jié)構(gòu)采用曲線預(yù)應(yīng)力混凝土Y形墩變截面連續(xù)剛構(gòu)，跨徑布置為35 m+58 m+35 m，道路中心線與墩位線正交。見(jiàn)圖2。

圖2 橋梁布置

橋梁全寬40 m，分為左右兩幅，兩幅橋之間翼緣板設(shè)置1 m寬的后澆帶。橋面的橫坡為雙向1.5%，通過(guò)箱梁腹板變高實(shí)現(xiàn)，箱梁底在橫橋向?yàn)槠狡?。中跨跨中梁高?.7 m，高跨比為1/34.1；中墩斜腿根部的梁高為2.6 m，高跨比為1/22.3，邊跨橋臺(tái)附近梁高與中跨跨中一致，亦為1.7 m。邊跨及中跨的梁高漸變段均按圓弧線變化。

每幅橋箱梁采用單箱四室斜腹板截面。人行道側(cè)翼緣板懸臂長(zhǎng)度為2.0 m，懸臂板端部厚度0.15 m，根部厚度0.45 m；車(chē)行道側(cè)翼緣板懸臂長(zhǎng)2.0 m，為加強(qiáng)后澆帶，板厚適當(dāng)加大，懸臂板端部厚度為0.25 m，根部厚度為0.45 m。邊腹板斜度為1∶3.5。箱梁頂板厚0.25 m，底板厚0.25～0.5 m，腹板厚0.5～0.7 m。斜腿頂部位置的箱梁橫梁厚2.6 m，橋臺(tái)處邊橫梁厚1.5 m，中跨跨中設(shè)置一道0.3 m厚的橫隔板。見(jiàn)圖3。

圖3 橋梁中墩斷面布置

Y形墩柱由斜腿和墩座兩部分構(gòu)成，總高度為7.4 m。斜腿為變厚度的實(shí)心矩形斷面，其橫橋向的寬度變化與主梁外腹板斜度基本一致；為保證受力平順及景觀效果，與主梁交接處，斜腿外側(cè)按8 m半徑倒圓，內(nèi)側(cè)按0.5 m半徑倒圓。為加強(qiáng)與主梁的連接并防止斜腿開(kāi)裂，在斜腿中心線位置布置預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束固定端置于Y形墩柱的墩座內(nèi)，張拉端則位于主梁中橫梁順橋向的倒角處。Y形墩柱的墩座部分采用矩形片墩，順橋向厚度為2.4 m，橫橋向?qū)挾茸兓c斜腿一致，均與主梁外腹板斜度基本相同；墩座與斜腿之間內(nèi)側(cè)按2 m半徑倒圓，外側(cè)按3 m半徑倒圓。根據(jù)工程范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，單幅橋中墩采用12?1.2 m的樁，順橋向兩排，按摩擦樁設(shè)計(jì)，樁長(zhǎng)63 m。

2 主要特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 矮腿剛構(gòu)群樁基礎(chǔ)的模擬方法

本橋Y形墩高僅7.4 m，墩柱高跨比為1/7.8，屬于典型的矮腿剛構(gòu)橋[1]，Y形墩抗推剛度較大，對(duì)上部結(jié)構(gòu)自由變形的約束較大，升降溫及混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力影響明顯。

群樁基礎(chǔ)作為下部結(jié)構(gòu)中與土相接觸最主要部位，分析較為復(fù)雜，常規(guī)橋梁初步計(jì)算中一般將承臺(tái)底作為固結(jié)支撐處理。本橋因Y形墩柱較矮，承臺(tái)底若采用固結(jié)處理，在整體升降溫及混凝土收縮徐變作用下會(huì)導(dǎo)致斜腿、墩座及主梁等構(gòu)件產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力，其效應(yīng)超過(guò)了恒載及汽車(chē)荷載[2]，難以滿足規(guī)范要求，因此有必要將群樁基礎(chǔ)作為彈性支撐精確考慮。

群樁基礎(chǔ)彈性支撐的模擬方法有多種，比如原始模型、等代門(mén)形剛架模型、等代單柱式模型、截樁法等[3]。設(shè)計(jì)采用了含耦合項(xiàng)的群樁基礎(chǔ)支撐剛度矩陣，其思路是建立承臺(tái)底面以上部分的結(jié)構(gòu)模型，求出群樁基礎(chǔ)各方向及相互耦合后的支撐剛度系數(shù)，組成一個(gè)空間支撐剛度矩陣作為承臺(tái)底的彈性支撐，求解后直接提取承臺(tái)底的反力進(jìn)行樁基礎(chǔ)的驗(yàn)算。

墩土層從上往下依次為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂及中砂層，地基土比例系數(shù)m取值較難確定。根據(jù)JTGD 63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，初定m值為8 000～20 000 kN/m4；從安全性的角度考慮，對(duì)上述范圍進(jìn)行了擴(kuò)展，將m分別取值為5 000、8000、20000、30 000 kN/m4進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)表1。標(biāo)準(zhǔn)組合為1.0恒載+1.0整體降溫+1.0汽車(chē)荷載。

表1 下部結(jié)構(gòu)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的支撐反力

從表1可以看出：

1）承臺(tái)底固結(jié)條件下，水平反力及彎矩均最大，據(jù)此驗(yàn)算下部結(jié)構(gòu)，計(jì)算難以通過(guò)；

2）對(duì)于本橋，恒載與整體降溫引起的水平反力、彎矩均為同一方向；

3）彎矩較大，與水平反力對(duì)下部結(jié)構(gòu)的效應(yīng)疊加而非抵消，有必要通過(guò)調(diào)偏心降低彎矩反力[4]。

Y形墩豎向中心線與分跨線重合，將承臺(tái)及樁基礎(chǔ)中心順橋向往中跨跨中方向調(diào)0.3 m的偏心后，結(jié)構(gòu)支撐反力中的彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 調(diào)偏心后的彎矩

從表1和表2可以看出，調(diào)偏心對(duì)減小結(jié)構(gòu)所受彎矩有明顯作用。

2.2 m的實(shí)測(cè)結(jié)果

本橋?qū)儆谟型屏Y(jié)構(gòu)，m值是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)；按m值5 000、8 000、20 000、30 000 kN/m4對(duì)群樁基礎(chǔ)的彈性支撐剛度做包絡(luò)計(jì)算；考慮到其不確定性較大，有必要進(jìn)行單樁的水平靜載試驗(yàn)[5]。在中墩承臺(tái)外側(cè)布置了1根同直徑的試樁并采用中墩群樁基礎(chǔ)作為樁基水平荷載試驗(yàn)的反力墻，進(jìn)行單樁水平荷載試驗(yàn)，見(jiàn)圖4。

圖4 單樁水平荷載-位移曲線

根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，可求得不同水平荷載下的m值，見(jiàn)表3。

表3 m實(shí)測(cè)推導(dǎo)值

從圖4和表3可以看出，本次試驗(yàn)單樁水平靜載最大加載量為1 045 kN，樁頂最大水平位移為39.80 mm；水平力為665 kN時(shí)，m值為9839 kN/m4。從表1可以看出，理論上m值為8 000 kN/m4時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)組合下最大水平反力為7 766 kN，若均勻分配到12根樁，則單樁理論水平反力為647 kN；理論m值與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，但水平位移實(shí)測(cè)結(jié)果比理論值偏大。

2.3 長(zhǎng)節(jié)段支架現(xiàn)澆施工及對(duì)應(yīng)配束方法

Y形墩連續(xù)剛構(gòu)的施工方法較多，比較典型的有掛籃逐節(jié)段懸臂澆筑、滿堂支架短節(jié)段澆筑、滿堂支架一次澆筑等。本橋工期較緊，施工現(xiàn)場(chǎng)具備搭設(shè)滿堂支架的條件，故設(shè)計(jì)采用了長(zhǎng)節(jié)段支架現(xiàn)澆施工，主要施工流程見(jiàn)圖5。

圖5 主要施工流程

主梁采用分段澆筑施工，分為0#塊（即一期澆筑梁段），二期澆筑梁段，中跨合龍段（即三期澆筑梁段）。其設(shè)計(jì)思路是：先形成Y形墩柱與主梁0#塊構(gòu)成的三角形穩(wěn)定剛架結(jié)構(gòu)；然后在支架上施工二期梁段（大節(jié)段）；最后澆筑2 m的中跨合龍段，張拉中跨合龍鋼束，全橋結(jié)構(gòu)形成。為了降低收縮徐變影響，改善結(jié)構(gòu)受力，中跨合龍時(shí)對(duì)兩懸臂端進(jìn)行了對(duì)頂，對(duì)頂力為1 500 kN。

主梁按預(yù)應(yīng)力混凝土A類(lèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)，僅布置縱向預(yù)應(yīng)力束，縱向預(yù)應(yīng)力束分為0#塊鋼束、二期梁段頂板束、二期梁段腹板束、中跨合龍頂板束及中跨合龍底板束，鋼束共采用15-15、15-12及15-9三種規(guī)格，見(jiàn)圖6。

圖6 縱向鋼束配置

2.4 Y形墩柱斜腿與主梁0#塊組成的三角架施工

Y形墩柱的斜腿部分與主梁0#塊（即一期梁段）組成的三角架受力復(fù)雜，混凝土體量大，是本橋施工的關(guān)鍵步驟。見(jiàn)圖7。

考慮到Y(jié)形墩線形較為復(fù)雜，施工中采用了整體式鋼模板，確保了外觀質(zhì)量。Y形墩柱施工分為3個(gè)階段：第1階段施工墩座；第2階段施工斜腿；第3階段施工主梁0#塊。第2階段施工中在兩斜腿之間豎向設(shè)置了3道精軋螺紋剛水平拉桿以抵抗施工過(guò)程中斜腿的水平位移。

圖7 斜腿與主梁0#塊組成的三角架施工

3 結(jié)語(yǔ)

本橋?yàn)榈湫偷陌萗形墩連續(xù)剛構(gòu)橋，所處地區(qū)也并非軟土地區(qū)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定難度。設(shè)計(jì)中考慮了群樁基礎(chǔ)的彈性支撐剛度，通過(guò)水平荷載試驗(yàn)驗(yàn)證了地基土水平比例系數(shù)m取值的正確性及樁基礎(chǔ)抵抗水平荷載的能力；采取下部結(jié)構(gòu)調(diào)偏心、跨中合龍前對(duì)頂梁段對(duì)方法改善了結(jié)構(gòu)受力。施工中采用長(zhǎng)節(jié)段支架現(xiàn)澆施工，受力明確且工期較短，比逐節(jié)段懸澆法節(jié)省工期約3月。