跨越山區(qū)水庫航道的公路橋梁結(jié)構(gòu)與持久性設(shè)計

周駿，秦濤

（南昌市公路勘察設(shè)計院，江西 南昌 330077）

0 引言

跨越山區(qū)水庫的公路橋梁工程，由于面臨相對復(fù)雜的場地條件，設(shè)計難度大，其設(shè)計難點包括布線、橋型、航道凈空維持、防銹蝕、防開裂、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、持久性等。某跨越山區(qū)水庫橋梁工程處于山峰高聳，溝谷發(fā)育，水陸相間，地質(zhì)地形復(fù)雜，工程面臨深水基礎(chǔ)，水上潮濕環(huán)境等，橋梁鋼混凝土結(jié)構(gòu)面臨筋體銹蝕和防范澆筑件開裂等技術(shù)難題。本文針對以上技術(shù)難點，提出了一系列有針對性的技術(shù)處理方案，可為同類工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

某跨越庫區(qū)Ⅳ級航道，通航凈空為55×8m的公路橋梁，橋面標(biāo)高175m，總跨越距離260m，橋面寬9.0m，采用雙向雙車道。經(jīng)過現(xiàn)場勘測和技術(shù)論證，工程設(shè)計決定采取滿足航道凈空要求、與航道軸線維持合理適用的交叉角、減少橋墩數(shù)量平衡因主跨墩高程較大可能帶來的較大工程澆筑量、結(jié)構(gòu)合理、線形流暢等設(shè)計思路，在下述兩個初期提交的橋位設(shè)計方案中選擇方案二作為本橋的橋位設(shè)計方案。兩個初期橋位設(shè)計方案為：

橋位方案一：兩岸跨越距離270mm，橋軸線與所跨越河道的中心線呈90°交角，起點與所交接的公路線路呈62°交角，該平交口西側(cè)行駛平順性不足，轉(zhuǎn)彎半徑相對過小。

橋位方案二：兩岸跨越距離262mm，橋軸線與所跨越河道的中心線呈65°交角，起點向西移位10m，終點向東移位110m，起點與所交接的公路線路呈90°交角，該平交口西側(cè)交通比較順暢，平交口東西兩側(cè)的轉(zhuǎn)彎半徑均為15m，從而一定程度上降低了工程規(guī)模。

2 橋型方案設(shè)計

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面剛構(gòu)連續(xù)梁橋

預(yù)應(yīng)力混凝土變截面剛構(gòu)連續(xù)梁橋具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計，橋梁整體剛度高，跨越能力好，適應(yīng)地形能力突出，運用于跨越開闊河面。

（2）上部結(jié)構(gòu)可采取懸臂掛籃筑澆施工，工藝成熟，操作相對簡單。

（3）對存在較大梁結(jié)構(gòu)落差的橋梁工程較為適用，橋長設(shè)計相對儉省，利于控制工程整體造價。

（4）應(yīng)用于山區(qū)跨水大型橋梁工程中，可在山間結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)出一種頗具氣勢的工程建筑美感。

（5）結(jié)構(gòu)簡潔，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和整體剛度優(yōu)異，成橋養(yǎng)護(hù)費用相對較低。

預(yù)應(yīng)力混凝土變截面剛構(gòu)連續(xù)梁橋的不足：

（1）水下基礎(chǔ)工程施工面臨較大操作難度，且工期對水庫水環(huán)境和航道通航造成一定的影響。

（2）高墩變截面剛構(gòu)，造型一定程度呆板，且影響工程美學(xué)效果。

2.2 混凝土鋼管中承式桁架拱橋

混凝土鋼管中承式桁架拱橋具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）較充分發(fā)揮和利用山體場地提供拱腳水平抗力，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力配置協(xié)調(diào)。

（2）擁有柔和優(yōu)美的工學(xué)線條，跨越水面，飛渡于青山綠水間，與環(huán)境景觀融合成一體，工程景觀效果較好。

（3）不存在深水墩，憑一跨越河，有良好的通視性，利于航道駕駛瞭望、保持航向和航運過行安全。

（4）工藝成熟，施工操作簡單，工期不受通航管制。

（5）防銹蝕能力強，構(gòu)件檢查和更換容易，后期養(yǎng)護(hù)費用降低。

混凝土鋼管中承式桁架拱橋的不足：

（1）桁架結(jié)構(gòu)，廠制運至現(xiàn)場焊接和拼裝，拱高和跨距大，浮吊控制難度高，尤其是空中對接拱軸線形，操作相對困難。

（2）鋼結(jié)構(gòu)防銹腐技術(shù)條件要求相對較高，用于濕度較大的跨水庫橋梁工程，不可避免需要經(jīng)常涂裝或更換銹蝕損壞部件，成橋養(yǎng)護(hù)的后期費用相對較高。

（3）抵御橫向扭力的功效相對不足，大型單跨，雖然不必深水設(shè)墩，但較大跨徑屬柔性結(jié)構(gòu)，在跨越山區(qū)水庫局部氣旋渦流效應(yīng)的影響下，增加結(jié)構(gòu)安全保障工作量。

經(jīng)過技術(shù)比較，綜合布線交叉角、航道凈空、高墩工程澆筑量平衡、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、防范筋體銹蝕、防結(jié)構(gòu)開裂、工藝成熟度、養(yǎng)護(hù)經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，預(yù)應(yīng)力混凝土變截面剛構(gòu)連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)更適合本工程的場地條件和經(jīng)濟(jì)適應(yīng)型工程需求，因此案例跨越山區(qū)水庫航道橋梁工程最終決定采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面剛構(gòu)連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 跨越庫區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

采取變截面剛構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，本工程橋面標(biāo)高175m，水底與主墩橋面最大高差達(dá)52.5m，如果采取支撐座連接的非剛構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，支撐座區(qū)域極易發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞，進(jìn)而影響整個梁體的使用周期。而采取變截面剛構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，該結(jié)構(gòu)防御活載的安全性儲備高，抗扭能力強，整體穩(wěn)固性好。

3.1.2 布跨設(shè)計

兩岸距離在260m左右，采用（68.0+120.0+68.0）m三跨剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，邊中跨比0.567，兩側(cè)為重力橋臺。本橋的兩岸不存在落差，故采取上坡0.5%和下坡-0.5%設(shè)計。背墻向梁板彎曲、梁底支座的找平、配置固定支撐座、低側(cè)主墩與梁板加強縱橫限位。

3.1.3 箱體梁設(shè)計

單室單箱截面，主墩區(qū)域箱形梁高7.0m，跨中箱形梁高3.0m，底板寬5m，懸臂長2m，底板下緣采取二次拋物線漸變設(shè)計。箱體梁底板外輪廓線按二次拋物線設(shè)計，底板厚度由30cm變?yōu)?05cm，箱體梁頂板厚度為25cm，箱體梁腹板設(shè)計厚度為50cm。主跨75m以上的懸澆變截面箱體梁按A級預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)捆扎?？紤]案例橋跨越水庫，場地環(huán)境的相對濕度較大，鋼筋在潮濕環(huán)境下容易生銹，影響結(jié)構(gòu)持久性，本工程決定采取全預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，以保證結(jié)構(gòu)持久性。箱體梁縱梁錨下拉張采取1860MPa低松弛強度鋼絞線，應(yīng)力控制按0.75fpk，縱方向鋼束單股徑15.2mm，大噸位組錨系統(tǒng)選用塑料螺紋管成孔，采取真空注漿工藝施工?？刂祁A(yù)應(yīng)力鋼束，在真空注漿基礎(chǔ)上智能拉張，以保證拉張質(zhì)量。

3.1.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

主墩基礎(chǔ)選用6個直徑為2.0m的組樁連接承臺，承臺規(guī)格設(shè)計為8.2m×13.2m×3.5m。為保證嵌巖墩有效支承主墩，樁基需打入中度風(fēng)化巖層16m左右。橋臺選用擴大基礎(chǔ)的U形橋臺，基礎(chǔ)承載力計算為350kPa。橋臺基礎(chǔ)位處凝灰?guī)r強風(fēng)化層中，該處巖層承載力為500kPa，滿足承載力需求，控制基礎(chǔ)上方的覆土厚度。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.2.1 橋臺選型

本工程橋臺所在區(qū)域系凝灰?guī)r地質(zhì)，地層埋藏比較淺，存在局部巖體裸露。區(qū)域巖體主要為強、弱風(fēng)化凝灰?guī)r，強風(fēng)化凝灰?guī)r的承載強度為500kPa左右，弱風(fēng)化凝灰?guī)r的承載強度在350kPa左右，凝灰?guī)r地層力學(xué)強度符合工程需要。為此橋臺設(shè)計選用重力橋臺方案，基樁打入強弱風(fēng)化凝灰?guī)r地層，以獲得足夠的基樁承載力需求。

3.2.2 墩結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋墩選型可以在Y形薄壁墩、空心墩和長方薄壁墩中選擇，3種墩型的功效優(yōu)勢各有特點。方形橋墩不如Y形薄壁橋墩美觀，但該橋?qū)挾容^窄，使用長方形橋墩更合適?？招亩针m然也是方形墩，墩身也比較輕，但是外觀看來過于笨重。而長方形墩較薄，在滿足承載力基礎(chǔ)上，其外形相對比較輕巧?？紤]到本項目的山區(qū)場地條件和跨越水庫航道的具體情況，同時兼顧實用性和經(jīng)濟(jì)性，本工程決定采取長方形薄壁墩設(shè)計。相對厚重的變截面箱體梁下部，配置以雙排長方形薄壁墩，其整體一定程度可以產(chǎn)生出輕巧的美感。

3.2.3 承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

單一增加基礎(chǔ)體量來增強基礎(chǔ)剛度，其功效不如通過樁頂嵌入承臺，樁基嵌入巖層，以此限制樁結(jié)構(gòu)自由度，從而整體增強基礎(chǔ)剛度。本工程在承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計上提出了兩種設(shè)計方案。

方案一：承臺位處正常水位以下50cm左右。借助一定的排水措施，可以有效地完成承臺的現(xiàn)場澆筑施工，承臺的整體應(yīng)力狀態(tài)比較協(xié)調(diào)，但是樁基打入巖層較深，河床以上部分需要鋼護(hù)筒套護(hù)，外露段也相對較長。

方案二：位處水庫中部，承臺預(yù)制，河底裝配。承臺標(biāo)高比較低，現(xiàn)場操作難度相對較大，并且存在較長一段墩體位處水中的情況，需安排排水施工。

承臺的位置影響樁基和墩體的抗推剛度，從而影響整體連續(xù)剛構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。承臺越低，墩體抗推的剛度需求越小，對上部結(jié)構(gòu)越有利。承臺配位設(shè)計對施工有密切影響，承臺越深，施工操作的難度會越大，其造價也越高。所以合理設(shè)計承臺的位置非常重要?？紤]到結(jié)構(gòu)整體受力和現(xiàn)場操作技術(shù)需求，本工程決定采取高樁承臺淺水施工設(shè)計方案。本工程的主墩高差比較大，需要重視水平載荷的影響，故決定本次采取鉆孔灌注樁組連接承臺設(shè)計，鉆孔灌注樁樁徑為200cm，樁基打入巖層16.0m處，承臺厚3.5m，以保證入巖嵌臺的墩結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固。

4 施工工藝和混凝土結(jié)構(gòu)持久性設(shè)計

4.1 施工工藝設(shè)計

變截面箱體梁可采取滿堂支撐架現(xiàn)場澆筑和吊籃現(xiàn)澆兩種施工方法。考慮到案例橋架設(shè)在水庫上，水庫底部與設(shè)計標(biāo)高的高差約為52.5m，相對高差比較大，采取滿堂支撐架現(xiàn)澆方案不可行，也不經(jīng)濟(jì)，因此上部結(jié)構(gòu)選用掛吊籃懸臂現(xiàn)場澆筑。下部樁基施工采取鉆孔注灌樁工藝。

4.2 結(jié)構(gòu)持久性設(shè)計

庫區(qū)浸水對鋼混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕影響不可低估，長期水浸泡，會加速石料、砂漿、混凝土等工程材料的老化速度，鋼筋長時期浸泡會加速腐蝕，影響結(jié)構(gòu)的持久性。跨水連續(xù)變截面剛構(gòu)橋工程病害主要有：橫向梁板超限裂隙、鋼筋銹蝕裂隙、頂板下緣縱方向越限裂隙；齒塊受拉損壞造成螺紋管外露。由以上病害可知，橋梁結(jié)構(gòu)的持久性設(shè)計尤其重要，尤其是跨越山區(qū)水庫橋梁，存在環(huán)境潮濕及墩高很高，容易引發(fā)以上病害，必須進(jìn)行針對性的詳細(xì)設(shè)計，以降低橋梁病害。

（1）鋼筋銹蝕引發(fā)裂隙的防范設(shè)計

由于水庫環(huán)境比較潮濕，鋼筋容易發(fā)生銹蝕，銹蝕會引發(fā)一定程度的筋體膨脹，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)開裂。長時期與水接觸并存在反復(fù)融凍循環(huán)過程的混凝土結(jié)構(gòu)部件，應(yīng)考慮融凍和環(huán)境影響。案例項目位處山區(qū)，橫跨水庫航道，山區(qū)溫度比較低，區(qū)域年度最低氣溫在-3～2.5℃間，系屬微凍潮濕區(qū)。為抵御融凍和銹蝕病害，工程部件的防水、防融凍、防銹蝕細(xì)節(jié)設(shè)計亦不可忽視，混凝土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、鋼筋護(hù)層厚度的配置，都需要符合相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。本工程的主梁腹板、墩體近水接水垂向面，按環(huán)境Ⅱ-C級別考慮設(shè)計，承臺淋雨水平面按環(huán)境Ⅱ-D級別考慮設(shè)計。

（2）頂板下緣縱向裂隙及橫向梁板超限裂隙的防范設(shè)計

頂板下緣縱方向超限裂隙主要是梁板橫方向載承力不符合需求造成。需進(jìn)行橫斷面典型框架設(shè)計計算，橋?qū)捿^大的需設(shè)計好預(yù)應(yīng)力頂板配筋，窄橋?qū)挼男柙O(shè)計好橫橋向配筋，以保證斷面規(guī)格符合需求。梁板的超限裂隙是因為應(yīng)力不符合需求而引起的結(jié)構(gòu)裂隙。梁板超限裂隙通常是由于順橋方向的應(yīng)力不符合需求造成。應(yīng)做好全橋的應(yīng)力計算，并且順橋方向的配筋應(yīng)配置在有效預(yù)應(yīng)力寬度內(nèi)，以保證配筋的橫橋向抗裂保護(hù)作用有效發(fā)揮。

（3）齒塊損壞致波紋管暴露的防范設(shè)計

齒塊是現(xiàn)場澆筑變截面連續(xù)剛構(gòu)橋易發(fā)應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)部位，因此在設(shè)計上，要防止單個鋼束太大。單個齒塊通常配置1～2個鋼束，應(yīng)控制鋼束間隔距離，并預(yù)留錨墊間距和應(yīng)力集中距離，防止過度應(yīng)力集中。本工程的齒塊拉張端按最小35.0cm標(biāo)準(zhǔn)控制間距，按22.0cm標(biāo)準(zhǔn)控制至齒塊外緣的距離，以增強齒塊的受力持久性。齒塊應(yīng)相應(yīng)配置應(yīng)力狀態(tài)良好的鋼筋，確保鋼筋能夠滿足和抵御應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文開展了跨越山區(qū)水庫航道的公路路橋結(jié)構(gòu)與持久性設(shè)計研究，主要結(jié)論如下：

（1）分析了案例工程布線選擇設(shè)計結(jié)果，選擇橋軸線與所跨越河道的中心線呈65°交角，起點與所交接的公路線路呈90°交角，該平交口西側(cè)交通比較順暢，工程量規(guī)模存在一定程度降低的橋位布線方案。

（2）闡述預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)梁橋和混凝土鋼管中承式桁架拱橋的橋型優(yōu)勢及不足。經(jīng)比較，確定預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)梁橋結(jié)構(gòu)更適合本工程的場地條件和工程需求，因此案例跨越山區(qū)水庫航道橋梁工程最終決定采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）探討了跨越山區(qū)水庫航道的公路橋梁相關(guān)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計。采取變截面剛構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，單室單箱截面，全預(yù)應(yīng)力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選用淺基礎(chǔ)的重力橋臺，雙排矩形薄壁墩承臺連接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體受力良好，并且施工難度低。

（4）與山區(qū)跨水庫連續(xù)剛構(gòu)橋的典型病害結(jié)合，有針對性地設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)的持久性，以保證橋梁的質(zhì)量。