主跨228 m高墩多跨不對(duì)稱剛構(gòu)-連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)

夏支賢，李梅，陳永亮，鐘豪，李航

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650041)

1 工程概況

1.1 橋梁簡(jiǎn)介

云川金沙江大橋位于云南省昭通市綏江縣境內(nèi)，綏江縣城東側(cè)約3.5 km的金沙江河谷上，橋位處為向家壩電站蓄水淹沒(méi)區(qū)，大橋連接云南省綏江縣和四川省屏山縣。大橋設(shè)計(jì)為(90+190+228+123+60) m剛構(gòu)-連續(xù)梁橋，主跨由蓄水前金沙江江面寬度確定為228 m，綏江岸(左岸)地勢(shì)相對(duì)較緩，布置了190 m的次主跨和90 m的邊跨；屏山岸(右岸)地勢(shì)較陡，布置了123 m的邊跨及60 m連續(xù)跨，該橋具有跨數(shù)多、跨度大、橋墩高、不對(duì)稱等特點(diǎn)，橋型布置見(jiàn)圖1。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

① 道路等級(jí)：城市主干道，雙向兩車道布置；② 橋面布置：凈9 m(行車道)+2×2 m(人行道);③ 設(shè)計(jì)速度：60 km/h;④ 設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)，人群荷載：標(biāo)準(zhǔn)值3.0 kN/m2;⑤ 通航等級(jí):內(nèi)河三級(jí)航道;⑥ 地震基本烈度：Ⅶ度；地震動(dòng)峰值加速度：0.1g。

圖1 云川金沙江大橋橋型布置圖(單位：cm)

2 橋梁縱面及大橋預(yù)拱度設(shè)置

2.1 橋梁(路線)縱面布設(shè)

該橋兩岸接線工程高程不受限，故大橋縱面可根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)需求設(shè)計(jì)，為更好地控制主跨跨中下?lián)?，將主跨布設(shè)于雙向縱坡上，跨中為豎曲線最高點(diǎn)，大橋縱面如圖2所示。

圖2 云川金沙江大橋(路線)縱面布置示意圖(單位：m)

2.2 預(yù)拱度設(shè)置

文獻(xiàn)[1]指出跨中設(shè)置適中的預(yù)拱度值，且預(yù)拱度的設(shè)置宜大不宜小，該橋在預(yù)拱度設(shè)置上除計(jì)算預(yù)拱度=成橋(鋪裝完成)后10年的收縮徐變撓度+活載(汽車、人群)撓度外，還設(shè)置了下?lián)涎a(bǔ)償預(yù)拱度，次主跨為15 cm，主跨為20 cm，在橋跨范圍內(nèi)設(shè)置見(jiàn)圖3，最終成橋線形為設(shè)計(jì)標(biāo)高+預(yù)拱度，預(yù)拱度設(shè)置后未對(duì)大橋縱曲線產(chǎn)生明顯影響。

圖3 補(bǔ)償預(yù)拱度設(shè)置示意圖(單位：cm)

3 大橋主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)箱梁采用單箱單室截面，頂寬為13 m，底寬為7.5 m，箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4所示。全橋由3個(gè)T構(gòu)組成，1個(gè)小T(1#墩)和2個(gè)大T(2#、3#墩)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工掛籃的承重能力和特點(diǎn)，以及預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的總體要求，小T劃分為19個(gè)懸臂澆筑節(jié)段,大T劃分為24個(gè)懸臂澆筑節(jié)段。全橋箱梁主要尺寸見(jiàn)表1，文獻(xiàn)[2]指出梁高變化所采用拋物線次數(shù)不宜小于1.8，文獻(xiàn)[1]指出對(duì)于跨徑大于150 m的可采用1.6～1.8次拋物線，該橋梁高、底板厚度由跨中到根部均按1.8次拋物線變化。文獻(xiàn)[1]指出預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中梁高宜采用1/40～1/50的主跨跨徑，根部梁高宜采用主跨跨徑的1/16～1/18?？梢钥闯觯涸拼ń鹕辰髽蛏喜拷Y(jié)構(gòu)主要尺寸均在合理范圍，小T根部梁高以及主跨跨中梁高甚至還稍微偏小。60 m連續(xù)跨箱梁采用等截面，梁高4.5 m，腹板厚0.5 m，端橫梁和4墩橫梁腹板厚1.2 m，橫梁寬2 m。

圖4 箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

上部結(jié)構(gòu)箱梁在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上主跨和次主跨增加了橫隔板和加勁板，跨中附近設(shè)置了兩道橫隔板，1/4跨徑處各設(shè)一道橫隔板，跨中一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置多道加勁板，具體設(shè)置情況見(jiàn)圖5。

表1 箱梁主要結(jié)構(gòu)尺寸

注：中間0.7 m過(guò)渡。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該橋1#墩(高32 m左右)和2#～3#墩(高100 m左右)墩高相差較大，文獻(xiàn)指出連續(xù)剛構(gòu)墩高相差很大時(shí)，橋墩形式需要經(jīng)過(guò)計(jì)算比較并結(jié)合高墩截面形式選擇采用。經(jīng)計(jì)算比較后確定1#橋墩采用鋼筋混凝土雙薄壁實(shí)心墩，單壁平面尺寸為7.5 m(橫橋向)×1.5(順橋向) m，雙壁外到外距離10 m。2#、3#橋墩采用鋼筋混凝土雙薄壁空心墩，單壁平面尺寸為7.5(橫橋向) m×4(順橋向) m，雙壁外到外距離14 m。通過(guò)不同的截面設(shè)計(jì)達(dá)到了橋墩剛度的協(xié)調(diào)，E1地震作用下1#墩墩底順橋向彎矩約為4.7×104kN·m(單薄壁)，2#墩墩底順橋向彎矩約為7.9×104kN·m(單薄壁)，3#墩墩底順橋向彎矩約為8.2萬(wàn)kN·m(單薄壁)，1#～3#墩承載力均滿足要求。4#墩為連續(xù)橋墩，墩頂設(shè)順橋向活動(dòng)支座，采用鋼筋混凝土薄壁空心墩，平面尺寸為7.5(橫橋向) m×3.5(順橋向) m，1#～4#墩均設(shè)承臺(tái)樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)均設(shè)計(jì)為摩擦樁。

圖5 箱梁橫隔板和加勁板布置示意圖

4 大橋預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

4.1 大橋預(yù)應(yīng)力體系

上部結(jié)構(gòu)箱梁采用縱向、豎向雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，未設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力。縱向預(yù)應(yīng)力布置思路為：1～4跨按常規(guī)剛構(gòu)布置方式布置，3個(gè)T均布置了頂板束及腹板下彎束，合龍段布置了頂、底板合龍束。2個(gè)大T頂板鋼束以及腹板下彎鋼束采用大小束相結(jié)合的方式，具體為：T0鋼束為15-25型，T1-T18鋼束為15-22型，T19-T24鋼束為15-15型(Tx代表x號(hào)塊頂板鋼束)；F1-F18鋼束為15-25型，F(xiàn)19-F21鋼束為15-17型(Fx代表x號(hào)塊腹板鋼下彎束)。為保證次主跨和主跨跨中底板足夠的預(yù)應(yīng)力，兩個(gè)主跨合龍段底板束均采用了較大型號(hào)鋼束，次主跨為15-25型鋼束，主跨為15-27型鋼束。第5跨連續(xù)跨鋼束和第4跨鋼束統(tǒng)一考慮，第4跨合龍段頂?shù)装迨烊氲?跨連續(xù)跨，頂板合龍束伸入連續(xù)跨最長(zhǎng)約20 m，兼做4#墩墩頂負(fù)彎矩鋼束，底板合龍束最長(zhǎng)伸到連續(xù)跨簡(jiǎn)支端，兼做連續(xù)跨正彎矩鋼束；另外連續(xù)跨還布置有腹板鋼束。

豎向預(yù)應(yīng)力根據(jù)梁高不同分別采用精軋螺紋鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線，對(duì)于梁高小于6 m的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑32 mm精軋螺紋鋼筋，單端張拉，張拉端位于梁頂，張拉控制應(yīng)力706.5 MPa；梁高大于6 m的豎向預(yù)應(yīng)力采用φs15-4預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單端張拉，張拉端位于梁頂，張拉端采用15-4錨具，固定端采用15-4P型錨具，張拉控制應(yīng)力為1 200 MPa。每個(gè)腹板橫向布置兩束預(yù)應(yīng)力，縱向間距為0.5 m。

4.2 上部結(jié)構(gòu)縱向主要計(jì)算結(jié)果

按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行荷載組合驗(yàn)算，主要計(jì)算結(jié)果如下：

(1) 施工階段主梁應(yīng)力

在各個(gè)施工階段主梁截面上、下緣出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力分別為15.1、13.7 MPa；上、下緣出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力分別為-0.04、-0.54 MPa；上、下緣施工階段應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

(2) 正常使用階段主梁應(yīng)力

正截面抗裂驗(yàn)算，次主跨、主跨跨中下緣最小壓應(yīng)力儲(chǔ)備分別為1.84、1.92 MPa，壓應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)高于規(guī)范不出現(xiàn)拉應(yīng)力的要求。斜截面抗裂驗(yàn)算，在未考慮豎向預(yù)應(yīng)力的情況下各截面主拉應(yīng)力均小于規(guī)范容許值。正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算，2#、3#墩頂靠近主跨側(cè)上緣最大壓應(yīng)力為16.9 MPa,小于規(guī)范容許值。斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算，2#、3#墩頂靠近主跨側(cè)上緣最大主壓應(yīng)力為17 MPa,小于規(guī)范容許值。

5 合龍頂推施工措施的應(yīng)用

連續(xù)剛構(gòu)合龍前頂推能很好地解決高溫合龍帶來(lái)的不利因素，同時(shí)頂推對(duì)收縮徐變引起的跨中下?lián)弦灿幸欢ǖ窒饔谩Ｔ拼ń鹕辰髽驑蛑窚囟容^高，合龍溫度高于理想合龍溫度6 ℃，大橋設(shè)計(jì)上也考慮了合龍頂推這一措施，頂推力除了補(bǔ)償合龍溫差外還考慮了一定收縮徐變補(bǔ)償。由于該橋有兩個(gè)主跨合龍段，同時(shí)又具有不對(duì)稱性，故頂推力需分兩次施加，兩次施加的大小也不同。

5.1 合龍溫差補(bǔ)償

溫差補(bǔ)償頂推量按成橋后降溫6 ℃1#～3#墩墩頂位移來(lái)確定，其位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，要達(dá)到補(bǔ)償效果就需在合龍頂推力作用下墩1#～3#墩墩頂位移和降溫位移大小相當(dāng)，方向相反。合龍順序?yàn)橄却沃骺绾笾骺?，次主跨合龍前頂推時(shí)1#墩位移向左岸，2#墩位移向右岸，3#墩未受頂推力作用；主跨合龍前頂推時(shí)1#、2#墩位移向左岸，3#墩位移向右岸，根據(jù)上述位移趨勢(shì)，需調(diào)整兩次頂推力的大小使最終1#～3#墩位移接近表2中位移值。

表2 降溫6 ℃墩頂位移結(jié)果 mm

5.2 收縮徐變補(bǔ)償及合計(jì)頂推量

收縮徐變補(bǔ)償頂推量規(guī)律和溫差補(bǔ)償量相同，故將溫度下降補(bǔ)償頂推量按相同的規(guī)律適當(dāng)增加就得到了最終頂推量，具體頂推方案為次主跨合龍時(shí)施加500 kN頂推力，扣除左岸綏江岸橋臺(tái)支座摩阻力200 kN(摩阻系數(shù)按0.03取)，1#墩側(cè)相當(dāng)于施加300 kN頂推力。主跨合龍時(shí)施加1 800 kN頂推力，扣除左岸綏江岸橋臺(tái)支座摩阻力200 kN(摩阻系數(shù)按0.03取)，相當(dāng)于1#、2#墩側(cè)施加了1 600 kN頂推力，右岸扣除4#墩及屏山岸橋臺(tái)支座摩阻力950 kN(摩阻系數(shù)按0.03取)，相當(dāng)于3#墩側(cè)施加了850 kN頂推力。頂推力施加示意見(jiàn)圖6。兩次頂推位移及最終位移見(jiàn)表3。

圖6 合龍頂推示意圖

從表3可以看出：兩次頂推后1#、3#墩墩頂位移絕對(duì)值接近，2#墩墩頂基本無(wú)位移，符合補(bǔ)償需求。另外計(jì)算結(jié)果還表明：頂推措施施加后成橋狀態(tài)(徐變完成)跨中下?lián)蠝p小，2#主墩彎矩沒(méi)明顯變化，1#、3#主墩彎矩均降低。

表3 頂推施工位移

6 結(jié)語(yǔ)

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)ι絽^(qū)大型峽谷地形具有很好的適應(yīng)性，與其他大跨度橋梁相比具有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。云川金沙江大橋結(jié)合實(shí)際地形在高墩大跨連續(xù)梁的基礎(chǔ)上增加了連續(xù)跨，為剛構(gòu)-連續(xù)梁橋，同樣具有上述優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)上采取了一系列針對(duì)性措施，主要有：① 路線布設(shè)時(shí)將路線最高點(diǎn)設(shè)于主橋跨中；② 在預(yù)拱度設(shè)置上除了抵消徐變、活載引起的撓度所需的必要預(yù)拱度外，還設(shè)置了下?lián)涎a(bǔ)償預(yù)拱度；③ 合理的構(gòu)造及預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)；④ 合適的合龍頂推力的施加。這些措施取得了較好的效果，云川金沙江大橋2016年2月建成通車至今已3年，未出現(xiàn)開(kāi)裂及下?lián)系炔『Γ莿倶?gòu)-連續(xù)梁橋的一個(gè)較好案例，對(duì)該體系的推廣應(yīng)用具有參考價(jià)值。