高墩大跨度連續(xù)剛構橋的設計探討

余科輝

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 高墩大跨度連續(xù)剛構橋存在的主要問題

1.1 箱梁開裂

(1)腹板斜裂縫

腹板斜裂縫又叫做剪切裂縫，是箱梁最為常見的一種裂縫，根本原因是由截面主拉應力過大引起的。進一步說，截面尺寸不合理、尺寸偏小、腹板下彎束偏少、豎向預應力有效性不足都能導致主拉應力過大從而產生腹板斜裂縫。腹板斜裂縫一般出現在兩個區(qū)域，一是主跨L/4附近(L為主跨跨徑，下同)，一是邊跨支點附近。

(2)底板縱向裂縫

底板縱向裂縫是由于底板橫彎受力引起的，其中底板預應力鋼束徑向力引起的底板崩裂最為常見。連續(xù)剛構箱梁底板曲線通常采用2次或者1.8次拋物線，布置在底板的縱向預應力鋼束會產生較大的徑向力，使底板橫向彎曲變形，從而導致底板出現縱向裂縫。由于連續(xù)剛構底板束較多且對底板截面削弱較大，在底板預應力張拉施工過程中，極易發(fā)生底板崩裂的現象。

(3)頂、底板橫向裂縫

頂、底板橫向裂縫是由于主梁縱彎受力引起的。當箱梁縱向預應力配置不足、預應力損失嚴重、預應力孔道的位置偏差、汽車超載等均會使頂、底板(尤其是跨中底板)產生橫向裂縫。

1.2 跨中下撓

跨中下撓過大指的是橋梁在運營階段出現了大于理論計算值的下撓。對于早期修建的連續(xù)剛構橋梁，跨中下撓是一個比較普遍的病害，并且隨著剛構跨徑的加大愈發(fā)突出。如湖北黃石大橋，主跨245 m，運營十年后發(fā)現下撓335 mm。

經研究，導致連續(xù)剛構橋下撓的主要因素有：混凝土收縮、徐變，設計配束偏少導致預應力度偏低，預應力長期損失(尤其是豎向預應力)導致預應力度不足，施工質量差。

1.3 高墩剛度不足

山區(qū)大跨度連續(xù)剛構橋通?？缭捷^深的溝谷，主墩的墩高普遍偏高。貴州畢節(jié)至威寧高速上的赫章特大橋，最高主墩195 m，號稱亞洲第一高墩；陜西旬邑高速公路上的三水河特大橋，最高主墩183 m；四川雅安至西昌高速公路上的臘八斤特大橋，最高主墩182.5 m。這些超高墩剛構橋多跨越峽谷，橋址風速較大，為了抵抗橫橋向風荷載，橋墩應具有足夠的橫向剛度?，F有的公路橋梁規(guī)范對高墩穩(wěn)定性提出了要求，但沒有對高墩的墩頂橫向位移提出要求，造成了部分連續(xù)剛構橋梁的橋墩剛度不足。橋墩橫向剛度不足，當橫向風出現時，橋梁易產生橫向擺動，導致橫向位移偏大、橫向加速度偏大，從而降低了行車或行人的舒適性。

2 高墩大跨度連續(xù)剛構橋的設計對策

2.1 南醒河特大橋概況

南醒河特大橋位于云南省西雙版納勐臘縣，橋梁為跨越V型深溝而設。橋梁大樁號側接隧道，橋梁處于分離式路基段落，單幅橋梁寬度為12.55 m。主橋采用105 m+180 m+105 m預應力混凝土連續(xù)剛構，箱梁根部梁高11 m，跨中梁高4 m，箱梁高度按1.8次拋物線變化。6#主墩采用等截面空心墩，墩高70 m；7#主墩采用變截面空心墩，墩高165 m；兩主墩高差95 m。

2.2 確定合理的箱梁尺寸

連續(xù)剛構之所以容易出現開裂、跨中下撓，很大一部分原因是由于箱梁構造尺寸選擇不合理。箱梁的梁高及梁底拋物線、腹板厚度、0#塊尺寸等都需要根據計算合理確定。

早年設計的連續(xù)剛構橋箱梁高度取值偏小，如大多橋梁根部梁高取L/18左右，容易出現結構整體剛度不足的問題。梁高不夠，預應力配束容易過多，結構長期處在高應力狀態(tài)，在收縮徐變的作用下，長期下撓在所難免。大量工程實踐證明，箱梁的根部梁高取L/16～L/17，跨中梁高通常取L/40～L/50，梁底曲線：當L<150 m時，采用2次拋物線；當L≥150 m時，采用1.8次拋物線。

建國初期設計的一些連續(xù)剛構橋，當時從經濟性考慮腹板厚度取值偏小，出現了較多腹板斜裂縫。究其原因，還是由于腹板尺寸小造成主拉應力偏大引起的。腹板的厚度也不宜過大，否則會造成恒載的加大，對結構受力不利。根部腹板厚度根據跨徑的大小確定，一般取65～90 cm?？缰懈拱搴穸刃枰獫M足構造要求，必須要有足夠的空間放置縱向及豎向預應力，跨中腹板的厚度通常不小于45 cm。根部到跨中腹板厚度利用1～2個節(jié)段采用線性漸變過渡，根部腹板厚度大于80 cm時，通常需采用兩次漸變，以便盡量減少恒載引起的彎矩。

南醒河特大橋根部梁高11 m為L/16.4，跨中梁高4 m為L/45，以及梁底曲線采用1.8次拋物線，均為較合理的尺寸選擇。大橋主梁腹板厚度從根部80 cm漸變到跨中55 cm，漸變位置位于L/3處，滿足了足夠的抗剪及主拉需求，也利于腹板下彎束的布置。0#塊受力極其復雜，本橋采用實體建模計算，加大了0#塊的尺寸；懸臂根部底板厚度1.2 m，在0#塊處底板加大為1.5 m；懸澆段頂板厚度30 cm，在0#塊處頂板加大為60 cm，并增加懸澆段與0#塊相接的倒角尺寸，便于傳力更順暢、更合理。

2.3 設置合理的腹板下彎束

(1)腹板下彎束設置的范圍不能太小。早期的一些橋梁，腹板下彎束僅設置在0#塊附近的幾個節(jié)段。南醒河特大橋充分吸收以往經驗教訓，加大了腹板下彎束的設置范圍，腹板下彎束設置到18#節(jié)段(最大懸澆節(jié)段為21#節(jié)段)，離跨中合攏段僅剩3個懸澆節(jié)段。

(2)腹板下彎鋼束的排數也建議增加。過去較多橋梁，一個腹板僅設置一排腹板下彎束。南醒河特大橋充分利用了根部腹板的厚度，在80 cm腹板的區(qū)域，一個腹板均設置了雙排腹板下彎束。

(3)腹板下彎束應盡量下彎靠近底板。調查發(fā)現，大多數剛構橋腹板下彎束僅下彎至2/3梁高處，無法在全梁高范圍提供豎向預壓應力，所以這樣設置是沒有理論依據的。為了使箱梁全梁高受到預應力的約束，在滿足鋼束張拉空間要求的前提下，應盡量使腹板下彎束覆蓋更大的梁高范圍。南醒河特大橋腹板下彎束考慮張拉空間的要求，腹板下彎束張拉端距底板底緣的豎向高度為1.5 m左右。

2.4 豎向預應力采用低回縮二次張拉錨固系統

早期修建的連續(xù)剛構橋，豎向預應力基本采用精軋螺紋粗鋼筋，配合簡易的YGM螺母式錨具。豎向預應力粗鋼筋長度一般僅10 m左右，長度短則張拉伸長量就小，一旦出現了微小的壓縮變形，就會造成較大的預應力損失。

總結了以往工程實踐的經驗教訓，南醒河特大橋采用低回縮二次張拉錨固系統。首先，將預應力粗鋼筋優(yōu)化為預應力鋼絞線，張拉伸長量增加了，改善了粗鋼筋伸長量小不宜控制的問題。其次，預應力鋼絞線采用二次張拉，能消除第一次張拉因錨具回縮變形引起的預應力損失。具體操作方法為：第一次按夾片式錨具通用張拉施工方法整束張拉并錨固，2～16 h內進行第二次張拉，第二次用H形支承架支承千斤頂，采用連接器與張拉桿相連，將錨環(huán)整體拉起，張拉至設計張拉力，擰緊外圈支承螺母，完成第二次張拉。

2.5 加強設計應力控制

從調查情況來看，應力控制偏緊、走規(guī)范下限是較多橋梁普遍存在的設計弊端。由于實際施工情況與設計存在偏差，有限元建模計算也很難真實反映，應力控制應該留有一定富裕。根據多年工程實踐，本文對設計應力提出了以下高于規(guī)范的要求。(1)在不考慮豎向預應力的情況下，僅考慮縱向預應力，主拉應力就能滿足規(guī)范的要求。(2)對于全預應力混凝土，應適當提高跨中下緣壓應力儲備，在標準組合下跨中下緣壓應力宜≥(1+L/100)MPa。南醒河特大橋在不考慮豎向預應力情況下，最大主拉應力1.0 MPa，滿足規(guī)范要求；在標準組合下，跨中下緣壓應力2.5 MPa，有一定的壓應力儲備。

2.6 加強細節(jié)構造設計

上文已經提到，底板束的徑向力容易引起跨中底板崩裂，設計上必須加強細節(jié)構造設計。為了抵抗底板束徑向力造成的底板橫向彎曲開裂，南醒河特大橋在跨中增設一道橫隔板；其次，在底板鋼束曲線段設置了直徑16 mm間距20 cm的U型防崩鋼筋。

2.7 風振舒適度控制高墩橫向剛度

山區(qū)連續(xù)剛構橋出現了一些超高主墩，在峽谷橫風作用下，橋墩會左右擺動，引起類似于簡諧振動的現象。隨著風振加速度增大，就會引起行車或行人的不舒適性，出現了橋墩剛度不足的弊端。

3 結 語

針對高墩大跨度連續(xù)剛構橋梁出現的梁開裂、跨中下撓、橋墩剛度不足等問題，設計上采取有效的應對措施，通過優(yōu)化結構尺寸、合理設置預應力鋼束、采用先進的二次張拉工藝、提高結構應力儲備、加強細節(jié)構造設計以及通過風振舒適度將橋墩橫向剛度控制在一個可靠范圍，從而提高橋梁的安全性及耐久性。