某跨越危巖區(qū)懸澆連續(xù)梁橋設計分析

李璐杰，羅大慶，歐陽慕

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

某喀斯特地貌地區(qū)高速公路項目主線跨越斷層帶，并于橋址區(qū)發(fā)現大量危巖。經多方溝通論證后決定采用大跨徑橋梁方案跨越此危巖區(qū)，以防止運營期危石砸落對橋梁墩柱造成破壞。本文介紹了該橋方案比選與結構設計要點，為類似喀斯特地貌地區(qū)公路工程跨越斷層帶危巖區(qū)設計提供實例參考。

1 方案比選

橋址區(qū)共發(fā)現危巖34處，近6 000 m3，危巖分布范圍廣。此處施工應遵循少挖原則，減少對邊坡和巖堆的擾動。

1.1 方案一

主橋采用(55+95+55) m懸澆連續(xù)梁，跨越危巖范圍內的沖溝。設計思路如下：

(1)主要預防主線右前方地勢較高處的危巖滑塌，此處危巖難以處理且滑塌后的沖量較大，利用所跨越的沖溝作為高處危巖滑塌后的通行通道。

(2)處在危巖范圍內的主橋主墩采用增大截面等措施提高主墩剛度，防止危巖滑塌破壞。

1.2 方案二

主橋采用(55+95+55) m連續(xù)剛構橋，跨越方案與方案一相同，與方案一相比的主要區(qū)別為：方案二考慮主橋墩梁固結，取消連續(xù)梁臨時固結等施工措施，可降低造價以及節(jié)省工期。

1.3 比選結果

經過綜合比選，最終選擇懸澆連續(xù)梁的方案(方案一)，理由如下：

本橋位于危巖區(qū)，主墩存在被危巖滑塌砸碰的風險，因此有必要提高主墩的剛度作為安全貯備。連續(xù)梁橋與連續(xù)剛構橋的主要區(qū)別是：連續(xù)梁上構與下構之間是彼此分離的兩個結構，下構受溫變作用產生的變形作用影響較小，有條件提高主墩剛度；而連續(xù)剛構橋墩梁固結，上構與下構為一整體，主墩受溫變作用產生的變形作用影響較大，嚴重限制了主墩剛度的提高。

2 結構設計要點

2.1 主要結構尺寸

上構結構主梁為三跨預應力混凝土變截面連續(xù)梁，跨徑組合為(55+95+55) m，雙幅布置。箱梁為單箱單室直腹板截面，頂板寬13 m，底板寬7 m，翼緣懸臂板寬3 m，箱梁根部高度為6 m，為主跨的1/15.83；梁端及跨中高度為2.8 m，為主跨的1/33.93；梁高按1.8次拋物線變化。箱梁0#～5#節(jié)段腹板厚度為1 m，7#～8#節(jié)段腹板厚度為0.7 m，10#節(jié)段、合龍段以及邊跨現澆段腹板厚度為0.5 m，6#和9#為腹板厚度過渡段。箱梁室內頂板厚度為0.28 m，懸臂端為0.2 m。0#橫梁厚3 m，梁端橫梁厚2 m。箱梁頂底同坡。

主橋箱體采用懸臂現澆施工，縱向分段為6.4 m(邊跨現澆段)+2 m(合龍段)+(4×4.5+3×4.0+3×3.5) m(10個懸澆段)+12 m(0#塊)+(3×3.5+3×4.0+4×4.5) m(10個懸澆段)+2 m(合龍段)。

下構設計為平面3 m×8 m矩形墩，加強橫向抗推剛度，提高抗危巖滑塌碰撞能力。

2.2 預應力體系

箱體采用三向預應力體系，按全預應力構件設計?？v向、橫向、豎向預應力鋼束采用φs15.2mm高強度低松弛鋼絞線。

箱體在懸澆段頂板及合龍段底板設置了備用孔道，用于應對出現鋼束堵管等情況的發(fā)生。

2.3 施工順序

主橋采用懸澆施工，0#塊采用支架現澆施工，依次懸澆1#～10#節(jié)段，并在邊跨現澆段采用現澆施工，接著邊跨合龍進行體系轉換，最后完成中跨合龍。

3 結構計算

3.1 主要計算參數[1]

(1)C55混凝土：容重為26kN/m3、彈性模量為3.55×104MPa。

(2)基礎不均勻沉降：1.0cm。

(3)箱梁整體升溫：+20 ℃，箱梁整體降溫：-25 ℃。

(4)豎向日照溫差：T1=14 ℃，T2=5.5 ℃。

(5)相對濕度：70%。

3.2 計算模型

本橋上部結構分析以平面桿系理論為基礎，采用MidasCivil2019軟件進行計算，考慮恒載、活載、預應力、混凝土收縮徐變(按3 650d計)、溫度變化等荷載的作用。計算中按有關規(guī)范規(guī)定對各種荷載進行不同的荷載組合，對結構的強度、剛度和應力做了計算和驗算。主橋箱梁按全預應力混凝土構件進行設計，共建單元114個，施工階段29個，邊界條件7個。如圖1所示。

圖1 主橋計算模型圖

3.3 計算結果

3.3.1 正截面抗彎承載能力驗算(圖2)

圖2 抗彎驗算包絡圖

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)[2]5.1.2條γ0S≤R驗算，彎矩最大位置在中跨跨中處。γMu=116 955.8kN·m≤Mn=134 617.3kN·m，滿足規(guī)范要求。

3.3.2 斜截面抗剪承載能力驗算(圖3)

圖3 抗剪驗算包絡圖

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)5.1.2條γ0S≤R驗算，剪力最大位置在主墩支點處。γVd=35 706.1kN≤Vn=38 586.1kN，滿足規(guī)范要求。同時受剪截面滿足《公橋混規(guī)》第5.2.11條要求。

3.3.3 正截面抗裂驗算(圖4)

圖4 正截面抗裂驗算包絡圖

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)第6.3.1-2條公式σst-0.80σpc≤0驗算。

除主梁兩端兩單元即1#單元及114#單元外，頂緣最不利位置為主墩支點處，下緣最不利位置為113#節(jié)點，其計算結果為：

頂緣σst-0.80σpc=-0.693MPa(壓應力)<0.000MPa(拉應力)，滿足規(guī)范要求。

底緣σst-0.80σpc=-3.497MPa(壓應力)<0.000MPa(拉應力)，滿足規(guī)范要求。

3.3.4 斜截面抗裂驗算(圖5)

圖5 斜截面抗裂驗算包絡圖

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)第6.3.1-6條公式σtp≤0.4ftk。最不利位置為0#節(jié)點，其計算結果為：σtp=0.798MPa≤0.4ftk=1.096MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3.5 正截面壓應力驗算(圖6)

圖6 正截面壓應力驗算包絡圖

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)第7.1.5-1條公式驗算：σkc+σpt=16.41MPa≤0.50fck=17.75MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3.6 斜截面壓應力驗算(圖7)

圖7 斜截面壓應力驗算包絡圖

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)第7.1.6-1條公式驗算：σcp=16.30MPa≤0.60fck=21.3MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3.7 法向壓應力驗算(圖8～9)

圖8 施工階段法向壓應力驗算(頂)包絡圖

圖9 施工階段法向壓應力驗算(底)包絡圖

4 細部設計處理

4.1 支座位移預偏量設計

懸澆施工工期長，不同溫度下合龍時，梁體受到溫度、收縮徐變等因素影響會產生縱向變形，從而導致橋墩活動支座產生位移，在梁端產生較大的伸縮量。為此，在支座細部設計時會預先沿主梁縱向將支座預偏一定的位移量，使橋梁在運營期間支座的位移量在合理的范圍內，減少養(yǎng)護工作[3-4]，延長橋梁使用壽命。

根據經驗以及相關文獻，采用10年齡期混凝土的收縮徐變引起的主梁位移量作為支座預偏量。因此，以固定支座為原點，由遠及近依次給其他3個墩柱上的活動支座分別設計5.2cm、3.5cm、2.2cm的預偏量。

4.2 預拱度設計

主梁中跨按荷載頻遇組合計算的長期撓度值最大為75mm，預應力產生的長期反拱值為80mm；邊跨按荷載頻遇組合計算的長期撓度值最大為37.3mm，預應力產生的長期反拱值為77mm。按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)6.5.5條可不設預拱度，但考慮到施工、混凝土收縮徐變等因素影響，為保證運營期路線的平順，擬設置預拱度。本橋按照中跨跨中預拱10cm，邊跨跨中預拱5cm，支點處預拱0cm，其間按二次拋物線變化設置預拱度值。

5 結語

連續(xù)梁橋具有整體性好、梁縫少、跨度大、變形小、剛度大等優(yōu)點，可以用于跨越喀斯特地貌不良地形區(qū)。同時，上部結構與下部結構分離，下部結構可根據需要適當提高剛度。且懸澆施工工藝成熟，對施工場地占用較小。本橋的設計，為今后類似項目的設計提供經驗參考。