某山區(qū)高墩大跨橋梁設(shè)計與探討

吳紅莉

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510000）

1 工程概況

本橋梁位于淇河鄉(xiāng)村旅游度假區(qū)桑園小鎮(zhèn)西側(cè)，盤石頭水庫下游約5 km 處，橋位區(qū)屬侵蝕剝蝕低山丘陵地貌，地形起伏較大，橋位區(qū)地面標(biāo)高約158.10～256.4 m。根據(jù)對橋位地形、地貌、水文、地質(zhì)等方面建設(shè)條件的分析，初步確定的橋位及主跨跨徑，并綜合考慮技術(shù)、造價、工期、美觀、施工難易程度等影響。

2 橋位分析

從擬建橋位分析圖（見圖1）來看，區(qū)域A、B 均為較為陡峭的山體，后期墩臺施工難度極大。因此，這2 個區(qū)域不推薦布置墩臺。另外，區(qū)域C 為旅游步道和淇河河岸交接位置，本項目推薦線路在此處具備景觀道改道的空間，C 區(qū)域具備布置橋墩的條件。圖D 區(qū)域地勢較為平坦且不在淇河河道的影響范圍，該區(qū)域也具備布置橋墩的條件。

圖1 擬建橋位分析圖

3 方案比選

主要橋型方案比選如下：

1）連續(xù)剛構(gòu)：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在120～250 m 跨徑范圍內(nèi)是一種經(jīng)濟(jì)合理的橋型，更適合于跨越深谷和江河。其設(shè)計理論明確，施工工藝成熟、安全，施工場地占用不大，運營期行車舒適、養(yǎng)護(hù)費用少[1]。

但連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)Χ崭哂幸欢ㄒ?，利用橋墩的柔性以適應(yīng)結(jié)構(gòu)在建成后的各種變形產(chǎn)生的內(nèi)力。

本橋梁處于高烈度區(qū)且橋墩較高，橋墩具有較大的抗彎、抗扭能力更有利于抗震的設(shè)計。連續(xù)剛構(gòu)橋為本橋橋型之一。

2）獨塔斜拉：斜拉橋索塔布置靈活，大跨度橋梁的立面布置通常按照河道或者深谷中心線確定主孔跨度和位置。深槽區(qū)及河道偏向北岸，在滿足防洪要求的同時，左半跨跨越淇河河道及北側(cè)山體，右半跨跨越河灘及南側(cè)山體，對稱的橋跨布置形式與橋位周邊比較協(xié)調(diào)。但造價高，因此，本項目不推薦。

3）拱橋方案：可考慮設(shè)置單跨上承式拱橋，本橋平面位于曲線范圍內(nèi)，對于上承式拱橋方案，主拱受力不利；其次，橋臺位置處于灰?guī)r發(fā)育區(qū)，上承式鋼筋混凝土拱橋方案基礎(chǔ)存在一定安全隱患，且位于陡坡施工不便。因此，本項目不推薦。

綜合分析，連續(xù)剛構(gòu)工程造價低，工期短，運營期維養(yǎng)簡單，因此，擬建橋位可考慮在C、D 區(qū)域布置主墩的連續(xù)剛構(gòu)方案，通過主跨的調(diào)整確保邊跨跨越山體陡峭的A、B 區(qū)域后落橋臺。具體設(shè)計如下。

1）橋跨布置及結(jié)構(gòu)體系

在淇河河道北側(cè)景觀道和河岸交接位置及淇河南岸的河灘區(qū)域布置主墩，另外考慮邊跨一次跨越兩側(cè)的陡峭山體。主跨142 m 的情況下，兩側(cè)邊跨采用0.6 的邊中跨比可以一跨在挖方段落臺。

本方案采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，橋跨布置為85 m+142 m+85 m，邊中跨之比為0.6∶1，橋臺設(shè)豎向支承。主梁分幅設(shè)計，采用大挑臂翼緣板的單箱單室混凝土變截面箱梁。每幅箱梁頂板寬12.56 m，主墩采用單肢空心墩。基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。橋型布置和斷面如圖2 和圖3 所示。

圖2 橋型布置立面圖（1∶1 000）

圖3 A-A 斷面圖（1∶200）

2）主梁方案：推薦采用施工較為便捷、成熟的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。

3）主墩方案：連續(xù)剛構(gòu)常用墩形有單肢薄壁墩、空心薄壁墩、雙肢薄壁墩等。鑒于本項目墩高較高（①號墩66.7 m，②號墩59.9 m），主墩抗震能力滿足要求的前提下，推薦采用矩形薄壁空心墩。

4）連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計方案綜述：本橋平面分別位于圓曲線(半徑：1 100 m，左偏)，緩和曲線(參數(shù)A：432.435，左偏)，緩和曲線(參數(shù)A：479.062，右偏)上，縱斷面縱坡2.4%；墩臺徑向布置。

本橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，分幅式布置。2幅橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為25.56 m。

橋面橫坡服從道路總體設(shè)置。本橋橋跨布置為85 m+142 m+85 m，橋梁總長320 m。

單幅箱梁尺寸：頂板寬12.56 m，底板寬6.5 m，主梁懸臂長度為3.03 m；梁高：根部8.8 m，高跨比為1∶16.1；跨中4.0 m，高跨比為1∶35.5；梁底變化曲線：2 次拋物線；頂板厚度：0.3 m；腹板厚度：0.50 m—0.65 m—0.8 m；底板厚度：根部0.9 m，跨中0.32 m，變化規(guī)律同梁底。主梁采用C55 混凝土。

縱向預(yù)應(yīng)力：頂板束采用采用21 根直徑為15 mm 鋼絞線，腹板束采用采用19 根直徑為15 mm 鋼絞線；采用頂板束直接錨固和腹板束下彎相結(jié)合的方式克服主拉應(yīng)力；邊跨與中跨的底板合龍束采用15 根直徑為15 mm 鋼絞線和19 根直徑為15 mm 鋼絞線。

橫向預(yù)應(yīng)力束：采用3 根直徑為15 mm 鋼絞線，單端交錯張拉。豎向預(yù)應(yīng)力束：采用3 根直徑為15 mm 鋼絞線，鋼束張拉采用低回縮二次張拉預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)。

主墩采用整體基礎(chǔ)，分幅墩身；橋墩采用單肢矩形空心墩，主墩墩身順橋向?qū)挾葹?.0 m，橫橋向?qū)挒?.5 m，壁厚順、橫橋向均為80 cm。采用群樁基礎(chǔ)，樁基采用鉆孔灌注樁。承臺采用矩形承臺，外輪廓尺寸為14.5 m×25.56 m，承臺厚5 m。整幅式承臺下設(shè)15 根直徑250 cm 鉆孔灌注樁，樁基按照嵌巖樁設(shè)計。

4 主要計算結(jié)論

4.1 主梁靜力計算

主梁靜力計算結(jié)果：依據(jù)空間梁格-桿系理論，采用Midas Civil 2020 軟件進(jìn)行計算分析，均滿足規(guī)范要求。持久狀況正截面抗彎驗算包絡(luò)圖如圖4 所示。

圖4 持久狀況正截面抗彎驗算包絡(luò)圖

4.2 穩(wěn)定性計算

1）施工最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性驗算[2]

施工最大懸臂狀態(tài)時按照以下工況驗算其穩(wěn)定性。

工況1：自重——穩(wěn)定特征值為16.59；

工況2：自重+橫橋向風(fēng)力——穩(wěn)定特征值為16.59；

工況3：自重+縱橋向風(fēng)力——穩(wěn)定特征值為16.59；

工況4：自重+梁段自重差+施工不平衡荷載+掛籃（正常）——穩(wěn)定特征值為16.01；

工況5：自重+梁段自重差+施工不平衡荷載+掛籃跌落（沖擊系數(shù)取2.0）——穩(wěn)定特征值為16.46。

2）成橋穩(wěn)定性分析

成橋狀態(tài)按照以下幾種工況進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。

工況1：自重+二期荷載——穩(wěn)定特征值為20.84；

工況2：自重+二期荷載+使高墩頂產(chǎn)生最不利軸力的車輛荷載——穩(wěn)定特征值為20.14；

工況3：自重+二期荷載+使高墩頂產(chǎn)生最不利彎矩的車輛荷載——穩(wěn)定特征值為19.91。

由以上結(jié)果可知：各工況下的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

4.3 抗震計算

1）抗震設(shè)防性能目標(biāo)

根據(jù)淇河大橋主橋結(jié)構(gòu)的重要性，以及震后對橋梁結(jié)構(gòu)的性能要求、修復(fù)（搶修）的難易程度，相應(yīng)于E1 和E2 地震作用，主橋的性能目標(biāo)如下所示：

E1 地震：結(jié)構(gòu)各構(gòu)件不受損壞或不經(jīng)修復(fù)可繼續(xù)使用。

E2 地震：上部結(jié)構(gòu)和塔身、墩身、基礎(chǔ)等關(guān)鍵構(gòu)件允許發(fā)生輕微損傷；支座允許出現(xiàn)剪切失效和移位失效，但保證不落梁；允許發(fā)生不影響橋梁正常通行的殘余位移。

2）地震動參數(shù)及地震輸入

地震峰值加速度為0.20g，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度。根據(jù)JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》的5.2.4 條規(guī)定，阻尼比取值為0.05。本項目橋梁屬于非規(guī)則橋梁，抗震分析采用非線性時程計算方法。

依據(jù)空間梁格-桿系理論，采用Midas Civil 2020 軟件進(jìn)行計算分析，對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行反應(yīng)譜分析計算，分析中采用前100 階反應(yīng)進(jìn)行組合，模態(tài)組合采用多重Ritz 向量法，邊界條件及荷載組合如下：

全橋考慮土+下部結(jié)構(gòu)+上部結(jié)構(gòu)的共同協(xié)同工作抵抗縱、橫橋向地震作用。通過土彈簧模擬樁-土相互作用，取動力作用下地基坑力系數(shù)m動等于2.5 倍靜力作用下地基抗力系數(shù)m靜，真實模擬樁基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)考慮沖刷后，并考慮砂土液化的影響。

其中，Ex、Ey、Ez分別為順橋向、橫橋向、豎向地震作用的最大效應(yīng)[3]。

3）地震作用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗算

本項目橋梁結(jié)構(gòu)驗算按照E2 地震控制設(shè)計，最不利位置為②號墩底順橋向，安全系數(shù)為1.35。

5 結(jié)語

山區(qū)橋梁在設(shè)計過程中，應(yīng)考慮橋位地形、地貌、水文、地質(zhì)等方面建設(shè)條件，初步確定的橋位及主跨跨徑，需綜合考慮技術(shù)、造價、工期、美觀、施工難易程度等影響。確定橋型方案后，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，考慮靜力驗算，穩(wěn)定性驗算，且本項目處于高烈度區(qū)，應(yīng)按照規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)的抗震驗算。依據(jù)空間梁格-桿系理論建模所得結(jié)果，為橋梁方案的確定提供了重要依據(jù)。