山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

李 航，黃永福

（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

稿吾卡1號(hào)大橋位于元蔓高速公路紅河段，為跨越紅河而設(shè)，是元蔓高速公路控制性工程之一。該橋位于分離式的路線段上，單幅橋?qū)挒?2.5 m，其中，主橋?yàn)椋?8+105+58）m連續(xù)剛構(gòu)橋，最大墩高86 m。

圖1 主橋橋型布置圖（單位：cm）

2 主橋主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為（58+105+58）m，箱梁頂寬12.5 m，底寬7 m，采用單箱單室斷面，箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。T構(gòu)一般采用懸臂澆筑法進(jìn)行施工，考慮施工便利及掛籃承重，現(xiàn)澆節(jié)段長(zhǎng)按3～4 m進(jìn)行劃分，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)4.42 m，全橋共劃分為13個(gè)節(jié)段，最大懸臂澆筑節(jié)段混凝土重約150 t。箱梁根部梁高為6.5 m，跨中梁高為2.3 m，梁高曲線方程為：H=4.2×（X/46.5）1.8+2.3；根部底板厚度為0.8 m，跨中底板厚度為0.32 m，底板厚度曲線方程為：D=0.48×（X/46.5）1.8+0.32 ，式中H表示箱梁梁高，D表示箱梁底板厚度，X表示距T構(gòu)最大懸臂端部的距離。

圖2 箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：cm）

2.2 預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)

主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，其中，梁高小于6 m的豎向預(yù)應(yīng)力筋采用直徑32 mm的精軋螺紋鋼筋，其余均采用公稱直徑為15.2 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa）。同時(shí)，考慮到為防止橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)跨中下?lián)线^(guò)大、箱梁底部橫向開(kāi)裂等病害，設(shè)計(jì)中在主橋中跨設(shè)置了預(yù)備體外鋼束的相關(guān)配套構(gòu)造，為將來(lái)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固提供便利。

2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主墩采用雙肢薄壁墩，單肢平面尺寸為7×2.5 m，雙肢中心距為7.5 m，基礎(chǔ)采用9根（3×3）的群樁基礎(chǔ)；過(guò)渡墩為薄壁空心墩，采用4根（2×2）的群樁基礎(chǔ)，根據(jù)地質(zhì)情況主橋樁基均采用摩擦樁。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 主要計(jì)算荷載

a）恒載 一期恒載（自重）、二期恒載（橋面系）。

b）汽車荷載 公路-I級(jí)，按三車道設(shè)計(jì)，偏載系數(shù)取1.2。

c）溫度荷載 整體升溫（+30℃），整體降溫（-16℃），溫度梯度按規(guī)范取值。

d）風(fēng)荷載 橋面運(yùn)營(yíng)風(fēng)速為25 m/s，1/100設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為24.4 m/s。

e）基礎(chǔ)不均勻沉降 150 mm。

f）制動(dòng)力荷載 627.3 kN（同向單車道標(biāo)準(zhǔn)值）。

g）地震基本烈度 7度，地震動(dòng)峰值加速度0.15g，反應(yīng)譜特征周期0.45 s。

3.2 上部靜力計(jì)算

主橋上部結(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主墩按普通鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)；上部結(jié)構(gòu)采用C55混凝土，下部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土。建立有限元模型時(shí)，墩底采用固結(jié)處理，邊跨采用滑動(dòng)支座模擬主梁與過(guò)渡墩連接。

圖3 主橋有限元計(jì)算模型

3.2.1 施工階段計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)按照實(shí)際施工流程劃分施工階段，并考慮30年收縮徐變的影響。設(shè)計(jì)時(shí)，施工階段箱梁截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力；成橋階段箱梁上緣壓應(yīng)力最大值為-10.0 MPa，最小值為-4.1 MPa；箱梁下緣壓應(yīng)力最大值為-10.8 MPa，最小值為-4.1 MPa；跨中合龍段壓應(yīng)力為-7.6 MPa。

3.2.2 使用階段計(jì)算

表1 上部結(jié)構(gòu)主要控制截面應(yīng)力 MPa

經(jīng)計(jì)算，正常使用極限狀態(tài)下截面主拉應(yīng)力小于允許值0.4ftk=1.096 MPa，截面最大壓應(yīng)力均小于允許值0.5fck=-17.75 MPa，斜截面主壓應(yīng)力均小于允許值0.6fck=-21.3 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 下部結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

施工階段，最大懸臂狀態(tài)為最不利工況，因此僅考慮了最大懸臂狀態(tài)時(shí)墩底截面的受力情況；運(yùn)營(yíng)階段，分別考慮了運(yùn)營(yíng)風(fēng)和極限風(fēng)作用下對(duì)墩底截面的影響。通過(guò)計(jì)算，橋墩墩底截面強(qiáng)度及裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

3.4 穩(wěn)定計(jì)算

最大懸臂施工階段為穩(wěn)定控制的最不利階段；高墩第1階屈曲模態(tài)均為側(cè)傾（向橋墩縱主面外傾斜）[1]。因此，設(shè)計(jì)時(shí)以最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定控制，計(jì)算時(shí)，第1階失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為20.9，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滿足要求。

3.5 地震反應(yīng)分析

連續(xù)剛構(gòu)橋地震的作用效果主要體現(xiàn)在橋墩的底部和頂部，墩身內(nèi)力反應(yīng)最大值發(fā)生在墩底界面處，此截面是墩體最危險(xiǎn)截面[2]。因本橋地處高地震烈度區(qū)，且地處重要高速公路路段，設(shè)計(jì)時(shí)提高控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。經(jīng)分析，本橋主要的模態(tài)為1、2、3階模態(tài)，第1階模態(tài)為橫橋向振動(dòng)，橫橋向振型參與質(zhì)量為69.8%，第3階模態(tài)為順橋向振動(dòng)，順橋向振型參與質(zhì)量為82.8%。設(shè)計(jì)時(shí)采用反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，地震作用與永久作用組合后，分別考慮組合1：恒載＋E（順橋向），組合2：恒載＋E（橫橋向）兩種荷載組合形式。

表2 E1地震作用下墩底截面計(jì)算結(jié)果

表3 E2地震作用下墩底截面計(jì)算結(jié)果

按照規(guī)范要求，設(shè)計(jì)時(shí)，在E1地震作用下，按墩柱最不利截面彎矩應(yīng)小于截面初始屈服彎矩進(jìn)行控制；在E2地震作用下，按墩柱最不利截面的彎矩小于截面等效屈服彎矩進(jìn)行控制。E1地震作用下，外肢截面更不利，因此對(duì)墩柱的外肢墩底截面進(jìn)行驗(yàn)算；E2地震作用下，橫、順橋向墩底截面的彎矩皆小于等效屈服彎矩。通過(guò)計(jì)算，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

4 合龍頂推設(shè)計(jì)

大橋中跨合龍前進(jìn)行頂推有利于改善墩柱的受力狀況，通過(guò)合龍時(shí)施加適當(dāng)?shù)捻斖屏?，減小了混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋由合龍溫差、混凝土后期收縮徐變等產(chǎn)生的附加次內(nèi)力，平衡了主墩水平偏位，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)后期受力有利，增加了結(jié)構(gòu)安全度[3]。該橋?yàn)槿邕B續(xù)剛構(gòu)，設(shè)計(jì)中采用先邊跨后中跨的順序，并模擬在15℃～20℃范圍內(nèi)的條件下進(jìn)行合龍，計(jì)算時(shí)，在中跨懸臂端施加750 kN的水平力以模擬頂推力，并控制梁體產(chǎn)生28 mm的水平位移，以降低合龍溫差、混凝土收縮徐變等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。

5 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)剛構(gòu)橋是云南山區(qū)公路中常用的一種大跨度橋型，該橋型在設(shè)計(jì)技術(shù)及施工工藝等各方面都比較成熟，對(duì)云南山區(qū)公路建設(shè)來(lái)說(shuō)是一種比較經(jīng)濟(jì)合理的選擇。本文以元蔓高速公路稿吾卡1號(hào)大橋?yàn)槔?，?duì)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)等幾方面進(jìn)行闡述，為類似項(xiàng)目提供借鑒和參考。