矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐

楊子泉

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

1 項(xiàng)目概況

沙仔二橋位于廣州市南沙區(qū)小虎島基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，連接小虎島與沙仔島，緊鄰小虎島產(chǎn)業(yè)基地，路線全長約0.99km，設(shè)大橋1座，上跨沙仔瀝水道。

本工程橋梁段總長584.4m，橋梁寬度9.0～11.5m，分左右幅設(shè)置。其中，跨沙仔瀝水道主橋長220m，單幅橋?qū)?1.5m，主梁采用（60m+100m+60m）PC混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用單肢薄壁墩形式。河底地質(zhì)自上而下依次為：素填土、淤泥質(zhì)土、中粗沙、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖、微風(fēng)化泥巖。

由于受通航凈空、兩側(cè)道路標(biāo)高的影響，橋梁主墩高度受到限制，這種情況下的墩高往往較?。ㄍǔτ诙崭?主跨跨徑小于1/10即可認(rèn)為是矮墩連續(xù)剛構(gòu)），在設(shè)計(jì)上應(yīng)特別注意，采取必要的措施以減小橋墩剛度較大造成的影響。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橋型布置

沙仔瀝水道為Ⅴ級航道，單向通航孔凈寬40m，雙向80m，通航凈空不小于8m，側(cè)高不小于5.5m，設(shè)計(jì)最高通航水位為7.1m。以此為控制條件，結(jié)合起止點(diǎn)接線高程、兩岸地形、地質(zhì)條件、行洪條件以及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，最終擬定主橋采用60m+100m+60m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案，并得到行業(yè)主管部門認(rèn)可。

2.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 上部結(jié)構(gòu)總體布置

主橋剛構(gòu)跨徑組合為（60+100+60）m，按施工方法全橋分為掛籃施工段，邊跨支架現(xiàn)澆段以及合龍段，共劃分16個(gè)節(jié)段。其中，0#~1#段長11m，為橋墩搭支架澆筑，2～13#段單側(cè)長43.5m，使用掛籃施工，14#段長2m，為合龍段，15#、16#段單側(cè)長8.8m，為邊跨支架現(xiàn)澆施工。

主橋分左右幅布置，為單箱單室結(jié)構(gòu)，單幅橋面寬度11.5m，底板寬度5.5m，懸臂長度3.3m，橋面為2%的橫坡。跨中梁高2.8m，根部梁高5.8m，底板厚度0.28~1.1m，頂板厚度0.28～0.8m，腹板厚度0.5～1.1m，底板厚度及梁高按照二次拋物線變化。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力布置

本橋主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，除縱向預(yù)應(yīng)力以外，頂板采用了橫向預(yù)應(yīng)力，腹板采用了豎向預(yù)應(yīng)力體系。

頂板預(yù)應(yīng)力規(guī)格共兩種，分別是15股和12股φs15.2mm預(yù)應(yīng)力鋼束，底板預(yù)應(yīng)力規(guī)格為18股φs15.2mm預(yù)應(yīng)力鋼束，腹板預(yù)應(yīng)力規(guī)格為12股φs15.2mm預(yù)應(yīng)力鋼束。懸澆段頂板束107根，腹板束36根，中跨底板配束18根，邊跨底板配束17根。

箱梁頂板橫向預(yù)應(yīng)力規(guī)格為3φs15.2mm預(yù)應(yīng)力鋼束，縱向間距0.5m，鋼束距離頂板0.11m，采用單端交錯(cuò)張拉方式，張拉力和伸長量雙重給控制，張拉控制力為0.73fpk。

豎向預(yù)應(yīng)力規(guī)格與橫向預(yù)應(yīng)力相同，縱向間距0.5m，分別布置在腹板的內(nèi)外側(cè)，鋼束距離腹板邊緣混凝土0.15m，張拉方式與橫向預(yù)應(yīng)力相同。

2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主墩斷面為帶圓倒角薄壁空心墩，墩高10.5m，薄壁墩斷面尺寸為5.5m×2.5m，薄壁厚度為0.8m（橫橋向）和0.6m（順橋向），在墩底5.1m范圍內(nèi)填充C20混凝土，目的是增加橋墩剛度，降低船舶撞擊產(chǎn)生的破壞。橋墩下承臺為整體式承臺，尺寸為24.5m×8.6m×3.5m，承臺外形采用矩形加圓端，以減小水的阻力，承臺下采用8根直徑2.2m鉆孔灌注樁，樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

主橋過渡墩為帶蓋梁的薄壁墩，蓋梁寬2.6m，高1.5m，設(shè)置0.4m偏心以平衡主橋和引橋支反力引起的不平衡彎矩。橋墩斷面為帶圓倒角薄壁空心墩，墩高約11.0m，薄壁墩斷面尺寸為5.5m×2.0m，薄壁厚度為0.5m（橫橋向）和0.5m（順橋向）。橋墩下承臺為分離式承臺，尺寸為9.0m×6.6m×2.5m，承臺外形采用矩形加圓端，以減小水的阻力，承臺下采用4根直徑1.6m鉆孔灌注樁，樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

主橋箱梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。按照梁單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，使用Midas軟件計(jì)算后再使用橋梁博士對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，以保證結(jié)構(gòu)模擬的準(zhǔn)確性。分別進(jìn)行施工階段和成橋階段計(jì)算分析，永久作用包括：結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土徐變及收縮、基礎(chǔ)不均勻沉降；可變作用包括：汽車荷載、溫度荷載、人群荷載、汽車制動(dòng)力、船舶撞擊力和風(fēng)荷載等。

根據(jù)施工階段劃分，全橋共建梁單元215個(gè)，按照實(shí)際施工順序，共模擬21個(gè)施工階段，分別計(jì)算各階段的內(nèi)力、應(yīng)力、位移，將計(jì)算結(jié)構(gòu)控制在規(guī)范容許的范圍內(nèi)。本橋上部結(jié)構(gòu)為常規(guī)的剛構(gòu)橋梁計(jì)算。

3.2 中墩下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模擬

由于矮墩連續(xù)剛構(gòu)墩高較矮，相應(yīng)橋墩剛度較大，對由溫度、預(yù)應(yīng)力的次內(nèi)力、混凝土收縮徐變等引起的位移較為敏感，若按照承臺底固結(jié)來模擬橋墩，將使墩底產(chǎn)生較大的內(nèi)力，而且不符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況。結(jié)合主墩位置地質(zhì)情況，使用“m”法模擬土體對樁基的作用，不僅使計(jì)算結(jié)果更貼近真實(shí)受力情況，而且能夠減小墩底彎矩，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不至于過于保守。

3.3 矮墩連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計(jì)措施

連續(xù)剛構(gòu)應(yīng)盡量避免矮墩情況的出現(xiàn)，主要原因如以下兩方面所述：①矮墩剛度大，溫度、收縮徐變等荷載將在橋墩處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；②為了抵抗較大應(yīng)力的產(chǎn)生勢必會加大橋墩配筋，這樣使橋墩剛度更大，從而陷入惡性循環(huán)狀態(tài)，這種增加橋墩配筋的措施有時(shí)并不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。因此，矮墩連續(xù)剛構(gòu)應(yīng)該從改善橋墩受力方向入手，本工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中考慮以下措施來優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

3.3.1 合龍溫度的確定

由于連續(xù)剛構(gòu)合龍后的收縮徐變與均勻降溫作用效應(yīng)一致，為減小后期收縮徐變作用導(dǎo)致墩頂向跨中的水平位移，引起附加內(nèi)力和結(jié)構(gòu)變形，因此最佳合龍溫度應(yīng)根據(jù)橋位處年氣溫變化情況綜合確定。最佳合龍溫度宜盡量接近當(dāng)?shù)貧v年最低溫度，以減小降溫效應(yīng)對橋墩內(nèi)力的負(fù)面影響。

結(jié)合橋位區(qū)域溫度特征，歷年平均氣溫為22.1℃，主橋合龍溫度取20～22℃，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTGD 60—2015）》[1]規(guī)定溫?zé)岬貐^(qū)的最低和最高有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值分別為-3℃和34℃，兩者取大值，故有：結(jié)構(gòu)整體降溫為-3-22=-25℃；結(jié)構(gòu)整體升溫為34-20=14℃。

根據(jù)設(shè)計(jì)確定的合龍溫度，該橋?qū)儆诟邷睾淆?，成橋后因降溫作用?dǎo)致的主梁收縮、墩頂位移會產(chǎn)生溫度附加內(nèi)力，這種情況往往會通過中跨合龍施加頂推力來抵消溫度引起的附加內(nèi)力。

3.3.2 頂推力的確定

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是橋墩固結(jié)的多次超靜定結(jié)構(gòu)，較小的墩高將會使由主梁的收縮徐變以及降溫作用在橋墩中產(chǎn)生的內(nèi)力變得更為不利，橋墩會產(chǎn)生整體向主跨變形的趨勢。為了抵消這種變形，可在中跨合龍前人為增加一對頂推力，產(chǎn)生向邊跨的位移，從而減小上述荷載產(chǎn)生的不利影響。取合適的頂推力能夠減小由于自重、混凝土收縮徐變、溫度荷載產(chǎn)生的不利影響，使成橋后的橋梁處于一個(gè)較合理的受力狀態(tài)。頂推力可按以下方法進(jìn)行計(jì)算。

首先計(jì)算無頂推力工況下成橋彎矩值以及各單位荷載對墩頂截面產(chǎn)生的彎矩值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 墩頂截面彎矩及彎矩變化量

理想的狀態(tài)是讓頂推力完全抵消混凝土收縮徐變及合龍溫差的影響，實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫B續(xù)剛構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，上述因素對橋墩的影響有水平位移、轉(zhuǎn)角位移，頂推力的方向?yàn)樗椒较颍瑑H能抵消水平位移的影響，頂推力的取值要做到既不能過大，使反向彎矩超出結(jié)構(gòu)受力合理范圍，又不能過小，過小的話起不到抵消不利荷載產(chǎn)生的影響。通過試算頂推力，在消除收縮徐變及合龍溫差的同時(shí)，兼顧橋墩內(nèi)外側(cè)彎矩基本相同的原則確定頂推力為1800kN。

對比頂推前后橋墩內(nèi)力、位移結(jié)果可知，施加頂推力在成橋階段對改善橋墩受力效果明顯，相比未施加頂推力情況下，施加頂推力后墩頂軸力減小1.5%，剪力減小42%，彎矩減小29%，墩底軸力減小1.5%，剪力減小46%，彎矩減小51%，由此可見施加合龍時(shí)的頂推力對改善橋墩受力效果顯著。

3.3.3 最大懸臂狀態(tài)在邊跨懸臂端永久配重

由前文所述可知，不利荷載在橋墩墩頂除了產(chǎn)生水平位移外，也產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)位移，在懸臂位置增加配重正是減小這種不利轉(zhuǎn)角位移的一種有效方式，在懸臂處配重施工邊跨合龍段，待中跨合龍段施工完成后卸載部分配重，這一過程與降溫作用正好相反，同樣能夠改善橋墩受力情況。

3.3.4 人為設(shè)置過渡墩支座沉降

設(shè)置支座沉降改善橋墩內(nèi)力的原理與懸臂配重類似，通過支座調(diào)整過程中適當(dāng)降低支座的標(biāo)高，從而使橋墩產(chǎn)生向邊跨的位移和轉(zhuǎn)角，來降低不利荷載產(chǎn)生的影響。

根據(jù)理論計(jì)算以及實(shí)際的剛構(gòu)橋梁實(shí)踐中，總結(jié)了以上幾條改善矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋墩受力的技術(shù)措施。設(shè)計(jì)及施工過程中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀況，選用一種或多種技術(shù)措施相結(jié)合的方案，以達(dá)到改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié)語

本文以該實(shí)際工程為研究對象，使用有限元軟件對矮墩連續(xù)剛構(gòu)施工過程和成橋狀態(tài)進(jìn)行了模擬，有針對性地提出了一些改善矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋墩受力的技術(shù)措施，并給出了一些技術(shù)措施的具體計(jì)算方法，希望可作為同類橋梁問題的參考。