高墩大跨徑頂推施工鋼箱梁橋方案設計

黃 浩, 吳志剛

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概述

某大橋位于昆侖山腹地低山河谷區(qū)，上跨“V”形河谷及規(guī)劃水庫，當?shù)氐卣鹆叶葹?.2g，海拔高度為2 450～2 500 m。測量時水位為2 278.52 m，水庫規(guī)劃蓄水位為2 440 m。原施工圖設計上部結構采用5×40 m(T梁)+2×100 m(T構)大橋跨越規(guī)劃水庫，最大墩高為161 m，采用空心薄壁墩，如圖1所示。原設計方案上部T構采用懸臂施工，全橋共劃分為26個懸澆節(jié)段，項目總體施工工期較長。若按原設計方案，該項目無法在既定工期內(nèi)完工。

圖1 大橋橋型布置圖(單位：cm)

本項目所在地區(qū)地震動峰值加速度為0.2g，地震烈度高。該橋?qū)拐鹁葹摹⒔?jīng)濟、國防具有重要意義，在庫區(qū)蓄水后一旦橋墩發(fā)生震害將幾乎無法修復。為了確保橋梁的結構安全并兼顧上部結構的施工工期，擬將本項目變更為抗震性能優(yōu)越、施工工期可控的鋼結構橋梁。

2 變更總體方案研究

該橋位所在地貌單元為低山河谷區(qū)，地表無植物發(fā)育，總體地勢起伏，整體坡度為30°～73°。邊坡南側臨崖，基巖裸露，北側含有靜水沉積泥質(zhì)夾層的塊石膠結松散堆積體，整體呈“U”形。原設計主橋為了避免在南岸側陡坡上設置橋墩，采用5×40 m預應力混凝土T梁+2×100 m T形剛構。原設計1～4號墩所處岸坡的坡度相對較緩，5號墩處于陡坡上，6號墩位于谷底。

由于原設計6號主墩樁基已完成施工，承臺已完成鋼筋綁扎及部分混凝土澆筑工作，因此大樁號側100 m橋跨已確定?，F(xiàn)場測量結果顯示,既有5號墩前后各30 m范圍內(nèi)岸坡均較為陡峭，若向大樁號側移動20 m，則下部結構施工影響喀拉喀什河行洪過流斷面；若向后移動20 m，5號墩仍處于陡坡上，下部結構施工難度無顯著改善，且會增加上部結構頂推難度，增加工程投資。因此5號墩至6號墩間的橋梁跨度維持原設計采用的100 m跨徑。

適用于主跨100 m頂推的上部結構主要有連續(xù)鋼箱梁及連續(xù)鋼桁梁方案。鋼箱梁方案主要受運輸方案及現(xiàn)場焊接條件限制，否則從施工的便利性、經(jīng)濟性、施工工期等方面均較鋼桁架方案有較大優(yōu)勢。鋼桁架方案總用鋼量比鋼箱梁方案多出約1 000 t。兩種方案的比較具體見表1。

表1 上部結構方案比較表

3 結構體系研究

傳統(tǒng)頂推施工橋梁在頂推就位后，一般采用支座與下部結構進行連接。而目前國內(nèi)已建成的超高墩橋梁，由于墩身較柔，為了提高墩身的穩(wěn)定性，均采用剛構體系。為了進一步研究結構體系對橋梁受力的影響，本次方案設計對墩梁固結、墩梁鉸接、連續(xù)梁支撐方案進行了比選，主要比較橋梁彈性狀態(tài)下整體穩(wěn)定性(表2)、整體升降溫荷載作用下梁端縱向位移。

表2 不同結構體系橋梁整體穩(wěn)定系數(shù)對比表

從表2可以看出，采用墩梁固結體系，彈性狀態(tài)下結構穩(wěn)定性最好，鉸接體系其次，連續(xù)梁體系穩(wěn)定系數(shù)最低。綜上所述，本橋結構體系推薦高墩采用墩梁固結體系，橋臺、1號墩、2號墩采用減隔震支座支撐體系，橋臺位置處設置縱向黏滯阻尼器。

4 下部結構方案設計

本橋變更后的4號主墩最大墩高可達170 m，為超高墩。超高墩連續(xù)剛構橋一般處于峽谷地貌，由于峽谷風效應，瞬時風速及紊流強度較大，高墩既要滿足穩(wěn)定性要求，又必須抵抗對設計起控制作用的強大風荷載，因此超高墩設計須考慮以下幾個要點：

(1) 具有適當?shù)目v向抗推剛度，以適應縱橋向由于溫度、混凝土收縮徐變等引起的變形。

(2) 具有一定的橫向剛度，以抵抗橫橋向風荷載，減小偏載引起的側向位移，提高行車舒適性。

(3) 橋墩形式應具有足夠的穩(wěn)定安全性。

(4) 應具有簡潔的外形，盡可能減小墩柱橫向迎風面積、改善氣動外形、減小風載體形系數(shù)。

(5) 應與環(huán)境相協(xié)調(diào)，結構形式應方便施工[1]。

國內(nèi)目前的超高墩主要有整體箱型薄壁墩、雙肢薄壁空心墩、組合式橋墩(整體箱型薄壁墩+雙肢薄壁空心墩)、鋼管混凝土骨架外包混凝土式橋墩[2]。本橋上部結構采用頂推施工鋼箱梁，與傳統(tǒng)的預應力混凝土連續(xù)剛構橋受力模式及構造差別較大，傳統(tǒng)的雙肢薄壁墩及組合式橋墩不適用于本項目。

上部結構采用固結體系鋼箱梁，可適應溫度產(chǎn)生的變形。由于上部結構較輕，采用傳統(tǒng)的空心薄壁墩即可滿足結構抗震要求。同時由于橋位區(qū)材料限制，經(jīng)比選本橋超高墩擬采用整體箱型薄壁空心墩。

對本橋3、4號橋墩(對應原設計5、6號橋墩)擬采用空心薄壁墩結構。對于箱型空心薄壁墩，初步擬定了3種截面尺寸，分別為矩形斷面、帶倒角的矩形斷面及八邊形斷面，對三者從結構特性、抗風性能、施工便利性角度開展比選[3]。結合墩受力特點及橋墩構造要求(墩頂布置頂推設備、就位后與墩頂進行固結需求)，3號橋墩采用橫向等寬的八邊形斷面，順橋向采用1∶100向下放坡，4號橋墩采用橫向等寬、縱向變寬的八邊形斷面，縱橫向均按1∶100向下放坡,如圖2所示。

圖2 大橋3、4號橋墩墩底斷面圖(單位：cm)

5 上部結構方案設計

本橋鋼箱梁全寬9 m，按照傳統(tǒng)設計方式采用單箱單室截面，具有截面整體性好、抗彎抗扭剛度大等優(yōu)點?？紤]到本項目運輸距離遠，若采用單箱單室截面則需要采用散件運輸至現(xiàn)場后拼裝為整體。與我國南方地區(qū)的鋼箱梁施工條件不同，本項目現(xiàn)場焊接條件受限，應盡量減少現(xiàn)場焊接工程量，故傳統(tǒng)的整體鋼箱梁截面不適用于本項目。采用窄鋼箱梁、雙邊箱替代原有整體箱方案，則可在現(xiàn)有的條件下解決鋼箱運輸問題，并大幅減少現(xiàn)場焊接工作量，現(xiàn)場僅需完成橋面兩道縱向焊縫及頂板橫向焊縫即可，縱向節(jié)段間采用高強螺栓連接。窄鋼箱梁方案的主梁橫斷面如圖3所示。由于采用的腹板較多，用鋼量較常規(guī)的整體鋼箱梁略高。

圖3 主梁標準橫斷面圖(單位：mm)

6 推薦施工方案

本橋高墩采用爬模施工，主墩內(nèi)設置勁性骨架。連續(xù)鋼箱梁擬采用頂推法架設。初步考慮在小里程側設置鋼箱梁節(jié)段拼裝平臺，在拼裝平臺進行鋼導梁及鋼箱梁節(jié)段拼裝后逐節(jié)往前進行頂推架設。由于本工程墩高較大，地形陡峭，地質(zhì)復雜，因此設置臨時墩難度較大，工程量及施工風險較高，故采用大跨度步、履式頂推架設鋼箱梁，橋墩間不設置臨時墩。

為減少狹谷風載影響，考慮采用空腹式鋼導梁，導梁設計長度55 m。根據(jù)施工階段驗算，最大懸臂100 m時導梁前端下?lián)狭繛?.95 m。導梁前端設置多級臺階，以便于采用千斤頂頂升上墩。

7 結束語

本文以某高墩大跨橋梁變更設計為工程背景，介紹了高墩大跨徑頂推施工鋼箱梁橋方案設計中的比選過程，主要比選結論如下：

(1)鋼箱梁方案主要受運輸方案及現(xiàn)場焊接條件限制，否則從施工的便利性、經(jīng)濟性、施工工期等方面均較鋼桁架梁方案有較大優(yōu)勢。

(2)對于超高墩橋梁，推薦高墩采用固結體系，可有效提高橋梁的整體穩(wěn)定性。

(3)對于超高墩，采用八邊形斷面具有較好的經(jīng)濟性及優(yōu)越的抗風性能。

(4)在運輸條件、現(xiàn)場焊接條件受限的環(huán)境下，采用窄鋼箱梁可有效解決運輸問題，減小現(xiàn)場焊接的工作量。