湖北云南莊特大橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

劉新華，李秋，彭元誠(chéng)，張建仁

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué))

1 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋技術(shù)發(fā)展成熟、結(jié)構(gòu)受力清晰明確、與路線平縱曲線適應(yīng)性強(qiáng)、橋面行車平穩(wěn)、運(yùn)營(yíng)期間橋梁管養(yǎng)工作投入成本較低。其主梁為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，通常采用掛籃逐段對(duì)稱懸澆，避免了在橋下搭設(shè)臨時(shí)支架，因此連續(xù)剛構(gòu)橋施工受地形條件限制較小，能夠很好地適應(yīng)山區(qū)峽谷等復(fù)雜自然環(huán)境，已成為中國(guó)高速公路中最為常用的橋型方案。

雖然連續(xù)剛構(gòu)橋造價(jià)不高且應(yīng)用廣泛，但也存在一些缺點(diǎn)：主梁為混凝土結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)自重較大，恒載占比較高，嚴(yán)重制約其跨徑的發(fā)展，同時(shí)在高地震烈度地區(qū)，自重較大也意味著其整體結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力較大?；诨炷敛牧鲜湛s徐變的特性，當(dāng)跨徑較大時(shí)，連續(xù)剛構(gòu)橋常常出現(xiàn)跨中下?lián)仙踔翆?dǎo)致開裂的情況。連續(xù)剛構(gòu)橋通過(guò)配置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束來(lái)增強(qiáng)截面的承載力，但體內(nèi)束的力臂受梁高限制，同時(shí)預(yù)應(yīng)力束的數(shù)量也受截面布束空間限制，當(dāng)跨徑較大梁段較多時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)截面配束空間有限且預(yù)應(yīng)力損失較大的情況。由于以上原因，連續(xù)剛構(gòu)橋的跨徑很難得到突破，目前中國(guó)所建連續(xù)剛構(gòu)橋最大跨徑基本在220 m以內(nèi)。

拱梁組合空腹連續(xù)剛構(gòu)橋充分結(jié)合普通連續(xù)剛構(gòu)橋的優(yōu)勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。在主梁靠近主墩一定區(qū)域范圍內(nèi)將箱梁整體截面改變?yōu)樯舷路蛛x的兩個(gè)部分，并通過(guò)拉高根部截面高度在上下分離體之間形成空腹區(qū)，最終整體結(jié)構(gòu)改變成拱梁組合式受力體系，在增加梁高的同時(shí)減輕了結(jié)構(gòu)的自重，大大提高了主梁的承載能力，突破了普通連續(xù)剛構(gòu)橋的最大跨徑。經(jīng)研究，拱梁組合空腹連續(xù)剛構(gòu)橋的經(jīng)濟(jì)跨徑為220～360 m，在其經(jīng)濟(jì)跨徑區(qū)間內(nèi)，該橋型比其他橋型造價(jià)更經(jīng)濟(jì)、后期維護(hù)更方便，極具競(jìng)爭(zhēng)力。

2 項(xiàng)目概況

云南莊特大橋位于湖北省恩施土家族苗族自治州鶴峰縣容美鎮(zhèn)廟灣村境內(nèi)，為路線跨九峰河溝谷而建設(shè)，橋位處為深切“V”形峽谷，谷底至橋面高差約為240 m，橋位軸線走向方位為SW204°，主橋采用造型優(yōu)美的拱梁組合空腹連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為(150+280+150) m=580 m，立面布置見圖1。橋梁為雙向四車道，標(biāo)準(zhǔn)寬度為25 m，分為左、右兩幅，單幅橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度為12.25 m，中央分隔帶為0.5 m。地震基本烈度為Ⅵ度，基本地震動(dòng)加速度峰值值為0.05g，特征周期為0.35 s。

橋梁空腹區(qū)段箱梁上弦高度為6.5～5 m，斜腿高度為7 m；箱梁跨中高度為4.5 m；斜腿根部至梁頂中心高度為34 m；箱梁高度及梁頂至斜腿底緣距離按2.5次拋物線變化。懸澆T箱梁頂板厚為0.3 m，底板厚度由跨中0.32 m按二次拋物線變化至0.9 m(匯合段)；箱梁腹板厚度為0.8～0.45 m，分兩次過(guò)渡。主梁斷面構(gòu)造見圖2。

圖1 總體立面布置(單位：m)

圖2 主梁斷面圖 (單位：cm)

3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 空腹區(qū)結(jié)構(gòu)受力模式

拱梁組合空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋主要由橋墩、空腹段上弦、空腹段下弦、實(shí)腹段箱梁四部分組成，見圖3。

圖3 空腹式剛構(gòu)主要組成部分

云南莊特大橋的支撐體系采用主墩墩底與承臺(tái)樁基相連，樁基采用考慮樁土效應(yīng)的一般約束，過(guò)渡墩梁端設(shè)豎向支座。設(shè)計(jì)時(shí)考慮恒載、支座沉降、汽車活載、溫度荷載以及風(fēng)荷載等多種荷載的組合作用，其中恒載及汽車荷載為主要荷載。經(jīng)計(jì)算對(duì)比得出：主要荷載作用下，主橋上構(gòu)除了產(chǎn)生彎矩以外，空腹區(qū)范圍內(nèi)上弦還會(huì)產(chǎn)生巨大的軸向拉力作用，同時(shí)下弦會(huì)產(chǎn)生軸向壓力作用，而實(shí)腹段箱梁基本無(wú)軸向力，與普通連續(xù)剛構(gòu)橋相比，整體結(jié)構(gòu)受力形式發(fā)生改變。

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，荷載作用下空腹式連續(xù)剛構(gòu)的不同部位表現(xiàn)出不同的受力模式，其中實(shí)腹段箱梁表現(xiàn)為受彎構(gòu)件，空腹段上弦表現(xiàn)為偏心受拉構(gòu)件，空腹段下弦表現(xiàn)為偏心受壓構(gòu)件。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，受彎構(gòu)件及偏心受壓構(gòu)件比較常見，而偏心受拉構(gòu)件則很少遇見，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)特別注意，這也是與以往橋梁結(jié)構(gòu)所不同的受力特征。

由于施工過(guò)程及后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中下弦主要為承壓和抗剪構(gòu)件，不宜布置相應(yīng)縱向預(yù)應(yīng)力，而上弦及實(shí)腹梁段分別為偏心受拉構(gòu)件和受彎構(gòu)件，因此需配置相應(yīng)的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。下弦和實(shí)腹梁段計(jì)算模式與常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋一致，空腹段上弦箱形截面作為預(yù)應(yīng)力混凝土偏心受拉構(gòu)件，以往驗(yàn)算較少，其承載力計(jì)算圖式見圖4。

圖4 上弦截面偏心受拉承載力計(jì)算圖式

混凝土受壓區(qū)高度x按下式計(jì)算：

γ0Nd=fpdAp+fsdAs-(f′pd-σ′p0)A′p-f′sdA′s-fcdAc

(1)

軸力下對(duì)應(yīng)的彎矩應(yīng)滿足：

γ0Md≤fpdApyp+fsdAsys+(f′pd-σ′p0)A′py′p+f′sdA′sy′s+fcdAcyc

(2)

式中：Ac為受壓區(qū)混凝土面積；σ′p0為受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)處混凝土法向應(yīng)力為零時(shí)的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力。

運(yùn)營(yíng)階段，云南莊特大橋上弦跨中在基本組合下，最大軸力為205 463 kN，彎矩為373 331 kN·m，按偏心受拉構(gòu)件驗(yàn)算抵抗矩為603 091 kN·m，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

3.2 上下弦匯合角隅“Y”字形關(guān)鍵構(gòu)造

大橋上、下弦交匯處的角隅構(gòu)造是該橋設(shè)計(jì)中的重中之重，此處受力復(fù)雜，應(yīng)力集中，為保證傳力的流暢過(guò)渡，匯合節(jié)點(diǎn)應(yīng)使得上、下弦與主梁間的傳力平順，且角隅構(gòu)造應(yīng)有一定的橫向剛度采用框架效應(yīng)來(lái)限制畸變，北盤江大橋采用X叉板式構(gòu)造形式，將上、下弦的箱室在匯合處變?yōu)閱蜗涫医孛妫缓笤侔褑蜗涫邑Q向分成3個(gè)隔室，此構(gòu)造可以起到分散集中力的作用，較好地實(shí)現(xiàn)了力的傳遞。但計(jì)算分析中發(fā)現(xiàn)，此構(gòu)造X形上、下交匯處存在明顯的拉、壓應(yīng)力分界交叉點(diǎn)，應(yīng)力仍較集中，通常采用加強(qiáng)配筋及表面設(shè)置鋼筋網(wǎng)的方式進(jìn)行加強(qiáng)，另外X形構(gòu)造隔室較多、相鄰箱室空間較小、存在施工不便、質(zhì)量難控制等問(wèn)題。

該橋?qū)Χ喾N構(gòu)造進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化比選，提出一種施工便利、質(zhì)量易控制、傳力順暢的Y字形構(gòu)造，見圖5。上下弦在匯合后，采用一字形水平隔板的形式繼續(xù)延長(zhǎng)2～3個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度，與角隅豎向隔板間距為1.5 m。采用這種構(gòu)造將上弦、下弦的力匯合后，通過(guò)隔板的延長(zhǎng)距離將力傳遞至腹板，再進(jìn)行順暢分散至整個(gè)箱梁斷面。

圖5 匯合區(qū)Y形構(gòu)造圖(單位：cm)

為了解其受力特征，通過(guò)Ansys有限元軟件建立Y形構(gòu)造有限元數(shù)值分析模型，見圖6。

圖6 Y形構(gòu)造有限元分析圖

局部分析結(jié)果表明：① 上下弦角隅節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力在交匯處實(shí)現(xiàn)了較好的融合，由于Y形構(gòu)造的傳遞作用，結(jié)構(gòu)應(yīng)力較均勻，主梁最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在水平隔板的末端與腹板的交匯處，最大主應(yīng)力為1.59 MPa；② 水平隔板為鋼筋混凝土構(gòu)件，受力較為復(fù)雜，最大名義拉應(yīng)力出現(xiàn)在水平隔板末端分叉點(diǎn)位置，最大名義拉應(yīng)力為3.78 MPa，需要對(duì)此處水平隔板加強(qiáng)配筋；③ 限制畸變的豎向橫隔板受力較好，最大主應(yīng)力為2.27 MPa；④ 中隔板與腹板相連的角點(diǎn)局部區(qū)域，腹板內(nèi)側(cè)豎向受壓，腹板外側(cè)豎向受拉，該區(qū)域受力復(fù)雜，但腹板豎向應(yīng)力鋼束對(duì)其受力狀況進(jìn)行了有效改善，使得腹板豎向正截面受壓，大部分區(qū)域不超過(guò)0.4 MPa主拉應(yīng)力；⑤ 上下弦交匯圓弧段邊角處有較小范圍的應(yīng)力集中，最大出現(xiàn)2.9 MPa主拉應(yīng)力，需要加強(qiáng)該位置處配筋。通過(guò)Y形構(gòu)造的合理過(guò)渡，較好地實(shí)現(xiàn)了力的傳遞，計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.3 空腹三角區(qū)關(guān)鍵施工方案

大跨度空腹式剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)新穎，跨度較大，三角區(qū)受力復(fù)雜。下弦施工處于高墩之上，不適合采用支架現(xiàn)澆，上弦截面尺寸及抗彎剛度與常規(guī)剛構(gòu)橋相比均較小，隨著施工過(guò)程中懸臂長(zhǎng)度的不斷增加，上弦將難以承受其自身重量。因此，該橋上弦及下弦的施工均需采用一定的輔助工程。

已建成的貴州省北盤江特大橋?yàn)橹袊?guó)首座大跨預(yù)應(yīng)力混凝土空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋。其三角區(qū)采用的施工方法，解決了懸臂澆筑時(shí)下弦截面抗彎剛度不足的問(wèn)題，又利用下弦頂部的鋼管支架解決了懸臂澆筑時(shí)上弦截面抗彎剛度不足的問(wèn)題，為同類橋梁提供了很好的借鑒。但此施工方法存在上、下弦施工不獨(dú)立，容易產(chǎn)生干擾的問(wèn)題。同時(shí)拆除鋼管支架前上、下弦的自重全部由下弦獨(dú)自承擔(dān)，而拆除鋼管支架時(shí)上、下弦自重需進(jìn)行內(nèi)力重新分配，因此結(jié)構(gòu)受力體系將產(chǎn)生較大變化。此外，采用鋼管支架施工，存在較多的施工干擾。

針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)對(duì)云南莊特大橋三角區(qū)的施工方案進(jìn)行了創(chuàng)新探索，經(jīng)反復(fù)研究計(jì)算對(duì)比，提出空腹區(qū)上、下弦均采用臨時(shí)扣索輔助掛籃懸澆的施工方式(圖7)。此工法主要為掛籃懸澆下弦梁段并張拉臨時(shí)扣索；主墩墩頂設(shè)置臨時(shí)鋼扣塔，掛籃懸澆上弦梁段并張拉上弦臨時(shí)拉索。

圖7 空腹三角區(qū)施工示意圖

此方案上、下弦施工過(guò)程中受力獨(dú)立，不存在相互之間恒載內(nèi)力重分配的問(wèn)題。由于施工過(guò)程中下弦不需承擔(dān)上弦的自重，因此在設(shè)計(jì)中可適當(dāng)減小下弦的截面尺寸及下弦臨時(shí)扣索的規(guī)格，有利于減小恒載重量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

3.4 臨時(shí)扣索合理拆除時(shí)機(jī)

大橋空腹段上、下弦均采用臨時(shí)扣索輔助掛籃懸臂澆筑方法施工，設(shè)計(jì)時(shí)不僅應(yīng)確定各個(gè)施工階段臨時(shí)扣索的合理張拉力，同時(shí)也應(yīng)確定上、下弦臨時(shí)扣索的拆除時(shí)機(jī)。當(dāng)臨時(shí)扣索拆除后，原本由臨時(shí)扣索承擔(dān)的恒載將分配到已澆筑的箱梁節(jié)段承擔(dān)，從而引起箱梁內(nèi)力及線形產(chǎn)生一定變化。上、下弦臨時(shí)扣索不同的拆除時(shí)機(jī)，將導(dǎo)致箱梁不同的應(yīng)力及線形結(jié)果。

對(duì)于下弦臨時(shí)扣索拆除時(shí)機(jī)，在對(duì)北盤江特大橋的研究中，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，全橋合龍完成階段拆除下弦臨時(shí)扣索不僅對(duì)三角區(qū)施工階段的受力更有利，而且施工線形更容易控制。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，云南莊特大橋下弦扣索拆除時(shí)機(jī)的規(guī)律與北盤江特大橋基本一致，因此考慮到三角區(qū)受力及成橋線形的可控性，云南莊特大橋下弦扣索采用在全橋合龍后拆除的施工方案。

對(duì)于上弦臨時(shí)扣索拆除時(shí)機(jī)，云南莊特大橋作為同類橋梁中采用在墩頂設(shè)置臨時(shí)扣塔，利用扣索輔助上弦懸澆的空腹式剛構(gòu)橋，上弦扣索的拆除時(shí)機(jī)至關(guān)重要，基于此，對(duì)研究提出的上弦臨時(shí)扣索拆除時(shí)機(jī)的4種可行方案(方案1：空腹區(qū)施工完成后拆除上弦扣索；方案2：常規(guī)梁段施工完成一半后拆除上弦扣索；方案3：最大懸臂狀態(tài)拆除上弦扣索；方案4：全橋合龍后拆除上弦扣索)對(duì)主梁受力的影響進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比研究。選取結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵截面見圖8，不同方案下施工階段關(guān)鍵截面應(yīng)力分析結(jié)果見表1。

圖8 關(guān)鍵截面位置示意圖

不同的施工階段拆除上弦臨時(shí)扣索計(jì)算結(jié)果表明：① 對(duì)施工過(guò)程中主梁應(yīng)力影響較大，因此需選擇合理的拆除時(shí)間，避免施工過(guò)程中應(yīng)力超限；② 對(duì)最終成橋時(shí)主梁的應(yīng)力基本無(wú)影響；③ 不同懸臂施工階段拆除上弦扣索，對(duì)匯合區(qū)下弦(截面2)的最大應(yīng)力及上弦根部(截面3)的最小應(yīng)力影響最為顯著，其變化規(guī)律見圖9。圖9中梁的編號(hào)11#～33#為主梁匯合區(qū)段到跨中梁段的節(jié)段號(hào)。

表1 施工階段4種方案關(guān)鍵截面最小/最大應(yīng)力

圖9 不同階段拆除上弦扣索關(guān)鍵截面應(yīng)力曲線圖

研究分析以上結(jié)果，施工過(guò)程中扣索對(duì)上弦節(jié)段施加軸力及彎矩作用，以平衡梁段自重及施工臨時(shí)荷載。后續(xù)施工時(shí)，主梁縱向鋼束的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)與扣索的作用力相互疊加，上弦扣索拆除越晚，則上弦根部壓應(yīng)力水平越高，因此方案3、4施工過(guò)程中上弦根部截面的最大壓應(yīng)力大于方案1、2。但如果上弦扣索拆除過(guò)早，由于后續(xù)實(shí)腹梁段對(duì)下弦的壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足，則將導(dǎo)致拆除扣索時(shí)匯合區(qū)下弦截面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

考慮到施工過(guò)程中橋面施工人員、機(jī)具活動(dòng)頻繁，臨時(shí)索塔及扣索占用施工場(chǎng)地，因此在保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力安全的前提下，應(yīng)盡早拆除上弦臨時(shí)扣索。通過(guò)計(jì)算對(duì)比，設(shè)計(jì)建議采用方案2，施工步驟為完成常規(guī)一半懸臂梁段澆筑后拆除上弦扣索，根據(jù)圖9可知：此方案施工階段匯合區(qū)下弦截面不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，同時(shí)上弦根部最大壓應(yīng)力為-15.7 MPa，主梁應(yīng)力狀態(tài)合理可靠。

3.5 空腹區(qū)高度對(duì)受力及剛度的影響

對(duì)于常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋，箱梁根部梁高一般為主跨跨徑的1/16～1/17。空腹式連續(xù)剛構(gòu)為橋梁新型結(jié)構(gòu)，為研究空腹區(qū)高度對(duì)結(jié)構(gòu)受力及剛度的影響規(guī)律，分別在保證云南莊特大橋其他參數(shù)不變的前提下，對(duì)比空腹區(qū)高度為26、28、30、32、34、36、38、40、42 m時(shí)，活載作用下匯合區(qū)位移及下弦根部?jī)?nèi)力的變化，計(jì)算結(jié)果見圖10。

圖10表明：隨著空腹區(qū)高度的增加，活載作用下匯合區(qū)的豎向撓度不斷減小，即主梁豎向剛度與空腹區(qū)高度成正相關(guān)。隨著空腹區(qū)高度的增加，活載作用下下弦根部的正彎矩不斷增大，而負(fù)彎矩及軸壓力則不斷減小。根據(jù)空腹區(qū)高度對(duì)主梁受力及剛度的影響規(guī)律，并結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，建議設(shè)計(jì)時(shí)空腹區(qū)的根部高度在主跨跨徑的1/7.5～1/8.5范圍內(nèi)選取，該橋空腹區(qū)高度為34 m，為主跨跨徑的1/8.2，結(jié)構(gòu)構(gòu)造及受力狀態(tài)較為合理。

4 結(jié)語(yǔ)

拱梁組合空腹連續(xù)剛構(gòu)橋作為一種新型橋梁，外形優(yōu)美，結(jié)構(gòu)形式新穎，在跨徑為220～360 m時(shí)極具競(jìng)爭(zhēng)力。該文以湖北云南莊特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析了拱梁組合空腹連續(xù)剛構(gòu)橋與以往連續(xù)梁結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不同的受力特征，其空腹段上弦、空腹段下弦、實(shí)腹段箱梁分別為偏心受拉構(gòu)件、偏心受壓構(gòu)件和受彎構(gòu)件；提出的“Y”字形關(guān)鍵傳力構(gòu)造，解決了空腹段受力復(fù)雜、應(yīng)力集中的問(wèn)題；提出的上、下弦均采用臨時(shí)扣索輔助掛籃懸澆的創(chuàng)新施工方式，并建議上弦扣索在常規(guī)梁段澆筑一半完成后拆除，下弦扣索在全橋合龍后拆除的施工方案，這樣克服了上下弦施工難的問(wèn)題；根據(jù)空腹區(qū)根部主梁高度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和下弦內(nèi)力的影響規(guī)律，并結(jié)合已有工程案例，提出拱梁空腹連續(xù)剛構(gòu)橋根部設(shè)計(jì)高度取值建議為主跨跨徑的1/7.5～1/8.5。大橋已開工建設(shè)，計(jì)劃于2021年建成通車。

圖10 匯合區(qū)位移及下弦內(nèi)力變化圖