高海拔峽谷地帶橋梁快速施工結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

張永水，高昊，劉文軍，黃永杰，連曉飛

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶市 400074; 2.青海省公路管理局; 3.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司)

中國(guó)以青海省為代表的西北地區(qū)有其獨(dú)特地域特征，該地區(qū)氣候高寒、缺氧、多風(fēng)，地形多山、地表高差大，橋隧占比較大。因此橋梁選型是一項(xiàng)涉及運(yùn)營(yíng)條件、施工方案、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的綜合性工作。

姚昌榮等從橋址處客觀環(huán)境、結(jié)構(gòu)受力特性以及美學(xué)角度綜合論述了山區(qū)橋梁選型的原則，提出影響橋梁結(jié)構(gòu)選型的因素主要有功能要求(安全適用、經(jīng)濟(jì)美觀、養(yǎng)護(hù)方便等)以及約束條件(自然、經(jīng)濟(jì)、時(shí)間和技術(shù))；周劍萍通過(guò)T梁與小箱梁的結(jié)構(gòu)對(duì)比、施工性能及使用性能對(duì)比，論述了T梁形式在山區(qū)橋梁中更具合理性；鞏春領(lǐng)等針對(duì)大跨徑剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁的受力特點(diǎn)以及使用性能進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)剛構(gòu)-連續(xù)組合結(jié)構(gòu)在受力性能及使用性能上比連續(xù)梁橋更為優(yōu)化；徐君蘭、顧安邦等對(duì)連續(xù)剛構(gòu)的主墩剛度合理性進(jìn)行了探討；周劍萍從施工經(jīng)濟(jì)性上對(duì)跨溝谷地區(qū)橋梁選型進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)不同地形采取的合理橋型進(jìn)行了分析。

綜上所述，以往的研究中針對(duì)西北高海拔地區(qū)的公路橋梁不同橋梁結(jié)構(gòu)形式的受力性能、施工性能以及運(yùn)營(yíng)性能綜合對(duì)比分析研究較少。而該地區(qū)自然環(huán)境主要有兩個(gè)特點(diǎn)：① 年施工期短，需要快速施工； ② 地形多山，地表高差大。

該文基于青海省大循高速公路臥龍溝4號(hào)橋，結(jié)合橋梁現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況以及技術(shù)條件，針對(duì)高海拔峽谷地帶高墩橋梁快速施工的特點(diǎn)進(jìn)行橋梁體系及構(gòu)件組合的優(yōu)化選型。

1 工程背景

1.1 地形地貌

青海大循高速公路臥龍溝4號(hào)橋位區(qū)地貌單元屬山麓斜坡堆積地貌，微地貌為山間凹地，現(xiàn)溝谷呈“U”字形。線路地面高程為2 965.56～3 079.65 m，地形起伏較大，主線跨越長(zhǎng)度為560 m，地表最大高差達(dá)114.09 m。

1.2 氣候

橋位區(qū)屬高原大陸性氣候，其特點(diǎn)是：氣候溫和、日照時(shí)間長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、晝夜溫差懸殊；區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜、高差大，氣溫隨海撥升高而遞減。境內(nèi)最高氣溫為38.2 ℃，最低氣溫為-19.9 ℃，年平均氣溫8.7 ℃。晝夜溫差大，縣氣象局統(tǒng)計(jì)年平均日溫差為13.4 ℃，2012—2017年月平均氣溫變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 循化縣2012—2017年月平均氣溫變化趨勢(shì)

由圖1可見(jiàn)：當(dāng)?shù)卦缕骄畹蜌鉁匾荒曛杏?個(gè)月處于0 ℃以下，僅4—9月適宜進(jìn)行施工，跨年施工時(shí)間間隔較長(zhǎng)。因此對(duì)該橋而言，施工速度對(duì)項(xiàng)目的正常投入運(yùn)營(yíng)和施工質(zhì)量的保證具有重要意義。

2 結(jié)構(gòu)體系選型

文獻(xiàn)[6,7]中總結(jié)論述了山區(qū)地帶適用的各類橋型，該項(xiàng)目根據(jù)橋位縱斷面及線位高度，提出幾種備選橋型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。橋梁結(jié)構(gòu)體系選型一般采用“窮舉法”，甄別各影響因素對(duì)橋梁體系選型的影響。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)體系選型(橋型布置圖)

該文從承載能力、橋梁造價(jià)、施工難度、施工工期以及后期養(yǎng)護(hù)幾個(gè)方面對(duì)不同體系進(jìn)行比較。擬選方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 擬選方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

方案1采用小跨徑預(yù)制裝配式梁橋。橋墩布置較為密集，墩高高達(dá)107 m，主梁采用預(yù)制裝配式梁；方案2采用預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)+裝配式預(yù)應(yīng)力箱梁，主橋橋墩可在山谷的兩側(cè)坡上設(shè)置，能夠極大減少橋梁下部結(jié)構(gòu)工程量，施工工法可采取掛籃懸臂澆筑法；方案3采用3×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁+250 m空腹式拱橋+4×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，施工方法可采用纜索吊裝法；方案4采用2×300 m獨(dú)塔混凝土箱梁斜拉橋。

根據(jù)上述約束條件，施工工期是制約該橋的選型關(guān)鍵因素。裝配式橋梁可以在工廠內(nèi)生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件，施工人員集中穩(wěn)定，易于標(biāo)準(zhǔn)化施工、保證施工質(zhì)量、提高生產(chǎn)速度，可以極大地縮短施工工期。而方案2盡管節(jié)省了大量下部結(jié)構(gòu)工程量，但懸臂澆筑法體系普遍不能當(dāng)年完成合龍，結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)榛炷笼g期差異過(guò)大而產(chǎn)生次內(nèi)力。方案3采用纜索吊裝法施工，不僅施工工藝復(fù)雜，而且纜索吊裝系統(tǒng)受峽谷地帶多風(fēng)氣候的制約，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。方案4造價(jià)較為高昂，且為柔性體系橋梁，同樣受峽谷地帶多風(fēng)氣候影響較大，因此方案1橋型顯然更為合理。

連續(xù)梁橋與連續(xù)剛構(gòu)橋的不同點(diǎn)為墩梁連接形式，連續(xù)剛構(gòu)墩梁固結(jié)能夠分擔(dān)部分主梁彎矩，結(jié)構(gòu)受力比連續(xù)梁橋更為優(yōu)化，利用高墩的柔度來(lái)適應(yīng)由預(yù)應(yīng)力、溫度變化、混凝土收縮徐變等效應(yīng)產(chǎn)生的位移，并節(jié)省了大量支座、降低了養(yǎng)護(hù)維修難度。

該橋0#～2#與12#～14#墩墩身較低，剛度較大，不適宜采用墩梁固結(jié)形式。3#～11#墩墩身較高，結(jié)構(gòu)內(nèi)力按照不同構(gòu)件的剛度大小分配，即墩梁剛度比，結(jié)構(gòu)剛度與構(gòu)件的截面形式以及構(gòu)件尺寸具有必然關(guān)聯(lián)。

因此構(gòu)件的截面形式選型問(wèn)題是一個(gè)結(jié)構(gòu)體系綜合分析的問(wèn)題，以達(dá)到結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)的目的，將在下文詳細(xì)論述。

3 高墩T梁剛構(gòu)橋構(gòu)件選型

橋梁構(gòu)件選型問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是橋梁構(gòu)件之間剛度比對(duì)橋梁體系整體受力影響的問(wèn)題，因此該文列舉了幾種常用的截面形式，不同截面形式的主梁與不同截面形式的墩身相互組合，即采用不同墩梁剛度比，綜合分析其受力性能、施工性能以及經(jīng)濟(jì)性等，提出較為合理的墩梁剛度比以及構(gòu)件選型。

3.1 橋墩剛度關(guān)系

對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋高墩選型主要考慮兩個(gè)方面：分配主梁的彎矩以及承受施工過(guò)程中不平衡彎矩主要依賴于墩身抗彎剛度；適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)溫度變形、混凝土收縮徐變主要依賴墩身抗推剛度。文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)給出墩抗推剛度公式。以矩形墩為例，截面尺寸示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 截面尺寸示意圖

單柱式墩的抗推剛度為：

(1)

同等截面積下雙柱式橋墩的抗彎剛度為：

(2)

抗推剛度為：

(3)

式中:a、b為墩柱順橋向、橫橋向?qū)挾龋籈為墩柱材料彈性模量；I為墩柱抗彎慣性矩；l為墩柱高度；H為雙肢墩中心間距。

可見(jiàn)，抗推剛度的大小與墩身截面慣性矩與墩高有關(guān)。對(duì)于單柱式墩，抗彎剛度與抗推剛度成正比關(guān)系。而雙柱式墩的抗彎剛度提高，與墩間距H有關(guān)，抗推剛度僅為單柱式墩的1/4。該文選取幾種墩身形式的剛度關(guān)系進(jìn)行比較。橋墩剛度曲線圖見(jiàn)圖4。

圖4 橋墩剛度曲線圖

由圖4可知：隨著墩高增大，墩身的抗推剛度迅速減小，40～70 m矩形實(shí)心墩、空心薄壁墩的抗推剛度遠(yuǎn)大于雙肢薄壁墩；墩身高度超過(guò)70 m時(shí)，幾種墩型的抗推剛度迅速接近，墩身高度為100 m時(shí)，空心薄壁墩的抗推剛度僅為其他墩型的1～3倍。同等截面積下，空心薄壁墩能夠保證較大的抗彎剛度。

對(duì)于高墩剛構(gòu)體系橋梁，由于墩身本身高度較大、柔性較強(qiáng)，墩身截面選型對(duì)于其抗推剛度影響較小。因此，此時(shí)主導(dǎo)墩身結(jié)構(gòu)選型的因素為其抗彎剛度以及施工性能等因素。

3.2 參數(shù)選取對(duì)比

結(jié)構(gòu)選型選取40 m橋跨，單幅寬度12 m。T梁預(yù)制梁高2.5 m，中梁梁寬1.7 m，濕接縫寬度0.7 m；小箱梁預(yù)制梁高2.3 m，中梁頂板寬1.9 m，底板寬1.3 m，頂板厚0.3 m，底板及腹板厚0.25 m；整體式箱梁采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，翼板寬度12 m，梁高2 m，頂板厚0.3 m，底板厚0.22 m，腹板寬0.5 m。

T梁橫向布置圖見(jiàn)圖5，小箱梁橫向布置圖見(jiàn)圖6，整體式箱梁見(jiàn)圖7，截面特性對(duì)比見(jiàn)表2。

圖5 T梁橫向布置圖(單位：m)

圖6 小箱梁橫向布置圖(單位：m)

圖7 整體式箱梁橫向布置圖(單位：m)

表2 主梁截面特性對(duì)比

墩身的抗推剛度與其截面慣性矩和墩高有關(guān)，多跨一聯(lián)時(shí)，墩梁的整體剛度計(jì)算較為復(fù)雜，以墩梁截面的抗彎剛度比值進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化表示墩梁剛度比的范圍為：

(4)

式中：ID、IS分別為墩柱、主梁抗彎慣性矩。

選取不同抗推剛度范圍的4種墩身形式進(jìn)行分析，墩身截面選型見(jiàn)圖8。

圖8 墩身截面形式(單位：m)

4 受力性能對(duì)比

如上所述，橋梁構(gòu)件的剛度比不同影響荷載效應(yīng)在結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分配。對(duì)于不同截面形式的混凝土構(gòu)件，內(nèi)力不能反映構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。因此該文以應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的控制指標(biāo)。

采用有限元分析軟件Midas/Civil進(jìn)行模型分析，分析結(jié)構(gòu)為橋梁高墩部分，即3#～10#墩下部結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)，3#、11#墩采用彈性連接模擬滑動(dòng)支座、4#～10#墩采用剛性連接模擬墩梁固結(jié)。全橋采用桿系單元模擬橋梁受力狀況，作如下假定：

(1) 忽略滑動(dòng)支座的摩阻力。

(2) 按照平橋進(jìn)行建模計(jì)算，不考慮橋面橫坡的影響。

(3) 采用墩底固結(jié)的假定，不考慮樁基礎(chǔ)的影響。

(4) 主梁梁體視為彈性體計(jì)算其應(yīng)力值。

根據(jù)歷年來(lái)當(dāng)?shù)乜h氣象局溫度統(tǒng)計(jì)狀況以及現(xiàn)場(chǎng)施工工期把控，結(jié)構(gòu)體系整體升溫為23.2 ℃，整體降溫為30.9 ℃?？紤]以下兩個(gè)工況：

工況1：結(jié)構(gòu)自重+二期荷載+整體升溫；

工況2：結(jié)構(gòu)自重+二期荷載+整體降溫。

該文選取結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大部位進(jìn)行比較，該橋邊墩墩梁連接形式為滑動(dòng)支座，主梁結(jié)構(gòu)邊跨與邊墩內(nèi)力最大，選取邊梁最大正彎矩處拉應(yīng)力、墩頂負(fù)彎矩處拉應(yīng)力、邊墩墩底最大壓應(yīng)力作為控制目標(biāo)，在不同結(jié)構(gòu)組合、不同工況下進(jìn)行綜合比較。

不同截面對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響見(jiàn)表3。

由表3可知：

(1) 各組合應(yīng)力值對(duì)比中，在截面豎向慣性矩相近時(shí)，小箱梁由于自身構(gòu)造原因，正彎矩應(yīng)力值為12.00～14.30 MPa，T梁與整體式箱梁正彎矩應(yīng)力值為9～11 MPa，小箱梁應(yīng)力普遍大于另外兩種截面。

(2) 所有組合墩梁剛度比為0.31～17.07，兩種工況下，隨著墩梁剛度比的增大，T梁和整體式箱梁的應(yīng)力值隨之減??；小箱梁應(yīng)力值略有增大，變化不顯著；從結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配來(lái)分析，墩梁剛度比越大，對(duì)主梁的受力狀態(tài)更為有利。

(3) 截面組合相同，分析主梁正彎矩與支點(diǎn)處負(fù)彎矩應(yīng)力變化量；組合1～4主梁應(yīng)力跨中與支點(diǎn)處變化量分別為0.12～0.86、1.96～3.48 MPa，組合5～8為0.4～1.0、0.56～1.51 MPa，組合9～12為0～0.75、0.5～2.71 MPa。工況1條件下，組合1～4應(yīng)力變化量最小，工況2條件下，組合5～8應(yīng)力變化量最小。可見(jiàn)墩梁剛度比對(duì)主梁跨中正彎矩應(yīng)力影響不大，對(duì)負(fù)彎矩應(yīng)力具有較明顯的影響，且T梁與整體式箱梁主梁應(yīng)力變化量與墩梁剛度比成正比。這表明剛度較大的墩在大溫差變化下能夠更多為主梁分擔(dān)內(nèi)力，使主梁應(yīng)力減小。

(4) 分析墩身應(yīng)力可以看出，墩身結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)拉應(yīng)力，其應(yīng)力大小直接與墩身截面特性相關(guān)，可以看出盡管雙肢薄壁墩與矩形實(shí)心墩截面積較大，但矩形薄壁墩受力性能更為優(yōu)越；且大溫差變化下主墩應(yīng)力變化量為0.12～0.23 MPa，對(duì)墩身受力影響較小。

綜上所述，考慮橋梁結(jié)構(gòu)受力更為優(yōu)化為前提，T梁+矩形實(shí)心墩或空心薄壁墩，整體式箱梁+矩形實(shí)心墩或空心薄壁墩的應(yīng)力值較小，墩梁剛度比較大的結(jié)構(gòu)選型更為合理。

表3 不同截面組合對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

5 施工經(jīng)濟(jì)性比較

從施工技術(shù)條件以及峽谷地帶類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，高原峽谷地帶地勢(shì)險(xiǎn)要、地表落差大，運(yùn)輸條件差，大型起重設(shè)備不易入場(chǎng)作業(yè)，如采用不合理的施工方法，勢(shì)必提高建設(shè)成本，因此施工經(jīng)濟(jì)性是制約該橋的一項(xiàng)重要因素。橋梁?jiǎn)慰资┕ぬ匦砸约敖?jīng)濟(jì)性比較見(jiàn)表4。

表4 截面特性對(duì)比

由表4可知：小箱梁?jiǎn)慰资┕こ杀韭缘陀赥梁，建筑高度較低，單孔梁片數(shù)量較少，橫橋向濕接縫數(shù)量也相應(yīng)減少；每片梁下設(shè)置2個(gè)支座，施工穩(wěn)定性較好。

整體式箱梁具有良好的整體性，其結(jié)構(gòu)剛度較大，但同時(shí)其自重較大，在高原峽谷地帶運(yùn)輸起重條件較差的地帶應(yīng)用較為困難。

T梁吊裝重量較輕，無(wú)需大型起重設(shè)備，更為適用于山區(qū)地帶橋梁。其缺點(diǎn)是每孔梁片數(shù)量較多，現(xiàn)場(chǎng)橫向濕接縫工作量較大，施工穩(wěn)定性低于另外兩種截面形式。

從養(yǎng)護(hù)難易程度分析，小箱梁與整體式箱梁內(nèi)部箱室完全封閉，難以進(jìn)行病害檢查以及加固。文獻(xiàn)[5]指出這種封閉式箱梁內(nèi)模拆除相對(duì)困難，容易對(duì)箱梁頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)造成損傷；T梁結(jié)構(gòu)完全暴露在外部，方便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查及加固，其運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于其他兩種截面形式。

文獻(xiàn)[3,9]針對(duì)T梁與小箱梁的構(gòu)造以及施工性能等方面進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為小箱梁適用于城市橋梁，T梁在山區(qū)橋梁更為適用。

對(duì)于墩身構(gòu)件截面選型，墩身截面的不同，相應(yīng)的工程量以及施工方法也不同，文獻(xiàn)[10]從價(jià)值評(píng)估的角度分析，得出20～40 m墩高采用雙柱墩，40～70 m采用單柱實(shí)心墩或單柱空心墩，70 m以上采用單柱空心墩的截面形式造價(jià)最為經(jīng)濟(jì)。

文獻(xiàn)[11]以后灣特大橋?yàn)槔槍?duì)V形溝谷地區(qū)地勢(shì)險(xiǎn)要、施工便道不便展開(kāi)的施工條件，橋墩采用了柱式墩與空心薄壁墩的截面形式。采用滑模工法施工空心薄壁墩能夠適應(yīng)施工工作面限制的技術(shù)條件。

6 結(jié)論

基于青海省海東市大循高速公路項(xiàng)目，針對(duì)高海拔峽谷地帶的特殊環(huán)境要求與技術(shù)條件限制，約束因素主要有兩點(diǎn)：① 年施工期短，需要快速施工，所以采用了先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)，而未采用大跨；② 受地形影響采用了高墩。

在選型因素制約下，選用了小跨徑連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)形式。由于連續(xù)剛構(gòu)，墩梁剛度不同，其受力特點(diǎn)也不同，存在墩梁構(gòu)件選型問(wèn)題。從不同截面組合的受力性能、施工性能、經(jīng)濟(jì)性角度綜合比較了各種選型的優(yōu)缺點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

(1) 不同橋墩抗推剛度隨著墩高的增加而迅速接近，墩高40～70 m時(shí)，雙肢薄壁墩具有更加優(yōu)越的剛度性能；墩高超過(guò)100 m時(shí)，不同墩型的抗推剛度接近，空心薄壁墩受力性能與施工性能更佳。

(2) 通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，墩梁剛度比較大的構(gòu)件選型，墩身對(duì)主梁分配彎矩更為優(yōu)化，主梁應(yīng)力值更小，因此對(duì)于高墩連續(xù)剛構(gòu)橋建議采用墩梁剛度比較大的構(gòu)件選型。

(3) T梁自重小，易于進(jìn)行吊裝施工，施工成本較為適中，截面形式易于養(yǎng)護(hù)加固?？招谋”诙詹捎门滥；蚍Ｊ┕?，減少現(xiàn)場(chǎng)模板支護(hù)，能夠極大地提高施工速度。

最終確定該地區(qū)的橋梁建設(shè)采用T梁+矩形薄壁墩的小跨徑連續(xù)剛構(gòu)形式。