山區(qū)沿河曲線連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

李甲丁，顧承杰

(1. 東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210096； 2. 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014)

1 工程概述

海南橫線(萬寧至洋浦)高速公路是海南省公路骨架網(wǎng)中唯一橫貫海南島東西向的高速公路，路線全長約為163.4 km，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，采用雙向4車道。其中定安河段長約為2 km(樁號(hào)范圍K40+500～K42+500)，該路段地形復(fù)雜，河道蜿蜒，沿河道上下游控制點(diǎn)較多，路線方案受整體規(guī)模、現(xiàn)場金礦及水電站、水文條件等多方面因素影響，路線走廊帶選取受限，須在河道峽谷段以長橋形式連續(xù)跨河道兩次，定安河段路線平面示意如圖1所示。

圖1 定安河段路線平面示意

該段橋梁平面位于半徑為1 300～1 900 m的圓曲線及緩和曲線上，定安河大橋與常規(guī)橋梁相比，在橋梁布跨、水文計(jì)算以及主引橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面均存在特殊性，設(shè)計(jì)特殊性展示如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)特殊性展示

2 橋位概況

橋位河段屬山丘峽谷河段，河床坡降較陡，兩岸為低山，橋址段為U形彎道，河底較完整的中風(fēng)化砂巖、砂礫巖直接出露。山坡坡度約為35°～45°，局部地段沖溝發(fā)育為陡坎(高為3～5 m)；山坡植被茂盛，植被高為3～5 m。區(qū)域地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，抗震設(shè)防烈度為6度。

影響較大的控制因素有金礦、上下游水電站、河流沿線村落等，定安河段主要控制因素及與路線位置關(guān)系如表2所示。其中金礦礦洞數(shù)量較多，在山體內(nèi)呈樹枝狀分布，工程建設(shè)隱患大，路線須避讓金礦礦區(qū)。在各項(xiàng)目方案中，對(duì)走廊帶的工程整體規(guī)模和造價(jià)以及礦區(qū)、水電站的影響等多方面進(jìn)行比選。

表2 定安河段主要控制因素及與路線位置關(guān)系

最終路線方案為：出雞尾嶺隧道后沿定安河南岸進(jìn)行布設(shè)，在加興嶺水電站上游1 km處第一次跨越定安河(設(shè)1號(hào)橋)，在溪仔村下游約0.7 km處第二次跨越定安河(設(shè)2號(hào)橋)，路線與河道斜交角度約為120°。

3 山區(qū)沿河橋梁布跨與水文計(jì)算

本項(xiàng)目采用MIKE21平面二維水流數(shù)學(xué)模型并輔以傳統(tǒng)水力計(jì)算分析，對(duì)工程實(shí)施前后的水流運(yùn)動(dòng)條件進(jìn)行模擬，計(jì)算分析不同洪水條件下，工程實(shí)施后的河道水位和流速變化情況以及工程對(duì)河道行洪的影響。

定安河1號(hào)橋橋位上游引起的壅水范圍較大，影響到2號(hào)橋上游，在百年一遇水位情況下自1號(hào)橋上游壅水影響長度約3.8 km。定安河2號(hào)橋上游的壅水情況需要與1號(hào)橋的影響綜合考慮，實(shí)際壅水高度是1號(hào)橋與2號(hào)橋壅水高度的組合值。壅水的存在將抬高橋位上游水位，導(dǎo)致上游淹沒范圍加大，水位提高后也將影響上游水電站的發(fā)電。

對(duì)橋梁的水文分析進(jìn)行多方案比較，采用40 m跨徑組合箱梁、50 m跨徑T梁、80～150 m 主跨連續(xù)剛構(gòu)梁等方案進(jìn)行水文分析并計(jì)算對(duì)比。經(jīng)比較分析，為減少建橋后對(duì)河道行洪的影響，需要通過調(diào)整路線平面使主墩位于百年一遇水位線以下，其余橋墩均須高于百年一遇水位線，且1號(hào)橋和2號(hào)橋主橋均采用150 m主跨方案，一跨跨越主河槽才能大幅降低河道壅水值，將對(duì)上游村莊和水電站的影響降到最小。

經(jīng)防洪水文計(jì)算和對(duì)比優(yōu)化，橋梁布跨方式為：1號(hào)橋和2號(hào)橋跨越河道處的主橋均采用(82+150+82)m懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，一跨跨越河槽，引橋均采用30 m跨徑裝配式混凝土箱形連續(xù)梁，橋墩均按正交布置，橋梁間設(shè)置145 m短路塹，定安河1號(hào)橋和2號(hào)橋立面如圖2所示。

(a) 1號(hào)橋

(b) 2號(hào)橋圖2 定安河1號(hào)橋和2號(hào)橋立面(單位：m)

4 曲線剛構(gòu)主橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.1 主梁構(gòu)造

定安河大橋主橋邊中跨比為0.547，采用掛籃對(duì)稱懸澆施工，其中0#段長度為12 m，懸澆段自中墩向兩側(cè)分為9對(duì)3 m節(jié)段、6對(duì)3.5 m節(jié)段和5對(duì)4 m節(jié)段，懸澆段重量為116～184 t。邊跨支架現(xiàn)澆段長為6 m、邊跨和跨中合龍段長度均為2 m。

主橋箱梁為單箱單室直腹板斷面，頂板寬度為13.0 m，底板寬度為6.5 m，中支點(diǎn)梁高為9.0 m，主跨跨中及邊跨支架段梁高為3.7 m，高跨比分別為1∶16.7 和1∶40.5，箱梁底板下緣按1.8次拋物線變化。

腹板厚度中支點(diǎn)處為80 cm，跨中處為55 cm。底板厚度中支點(diǎn)處為100 cm，跨中處為32 cm。頂板厚度除墩頂局部加厚至55 cm外，其余均為30 cm。箱梁底板水平，通過腹板高度差形成橋面橫坡。

為增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度并降低扭轉(zhuǎn)畸變應(yīng)力，在主梁跨中與1/4跨徑處設(shè)置半橫隔板，改善箱梁受力的同時(shí)減輕自重，主梁橫截面如圖3所示。

(a) 跨中截面

(b) 中支點(diǎn)截面圖3 主梁橫截面(單位：cm)

主橋箱梁采用縱橫豎三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向懸臂鋼束采用腹板下彎束(下彎錨固角度為35°)+頂板束的配束形式，兩種形式各占懸臂鋼束總數(shù)的50%，規(guī)格均采用19Фs15.2鋼絞線。頂?shù)装搴淆埵捎?3Фs15.2鋼絞線，彎起錨固角度為12°。頂板橫向預(yù)應(yīng)力采用3Φs15.2鋼絞線，按50 cm間距布置，單端張拉錨固。

豎向預(yù)應(yīng)力采用2Φs15.2低回縮鋼絞線及二次張拉錨具，豎向預(yù)應(yīng)力80 cm腹板加厚段單個(gè)腹板截面橫向布置2根，55 cm腹板等厚段及腹板變厚段單個(gè)腹板截面橫向布置1根，豎向預(yù)應(yīng)力沿橋軸線按50 cm間距布置，采用箱梁頂面單端張拉的方式。

為控制跨中下?lián)?，主梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)剛度，恒載撓度按照主跨跨徑的1/4 000控制，且跨中下緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備應(yīng)不小于1 MPa。

考慮箱梁扭剪對(duì)斜截面抗剪承載力的影響，腹板外側(cè)箍筋采用直徑為20 mm的HRB400鋼筋，以提高腹板箍筋配筋率。為加強(qiáng)底板束布置區(qū)鋼束防崩能力，避免徑向力作用產(chǎn)生底板裂縫，將底板相應(yīng)區(qū)域上下緣普通拉筋形式改進(jìn)為閉合式箍筋形式。

4.2 曲線對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮在計(jì)算模型中是否能“以直代曲”進(jìn)行簡化計(jì)算。加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(Canadian Standards Association, CSA)規(guī)定，當(dāng)滿足L2/BR<0.5(L為跨徑、R為曲線半徑、B為橋面寬度)時(shí)，以及美國國家公路和運(yùn)輸官員協(xié)會(huì)(American Association of State Highway and Transport Officials, AASHTO)的規(guī)范規(guī)定，當(dāng)單箱單室截面單跨一孔圓心角<12°時(shí)，可“以直代曲”進(jìn)行簡化計(jì)算[1]。“以直代曲”簡化計(jì)算判別條件對(duì)比如表3所示，該表對(duì)比了兩種規(guī)范運(yùn)用于本項(xiàng)目時(shí)，不同曲線半徑下判別條件的計(jì)算情況。

表3 “以直代曲”簡化計(jì)算判別條件對(duì)比

采用Midas Civil軟件對(duì)不同平曲線半徑建立三維空間桿系模型，計(jì)算對(duì)比結(jié)構(gòu)受力的差異，可以發(fā)現(xiàn)不同半徑的上部主梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，其內(nèi)力差異一般不超過5%，動(dòng)力計(jì)算中結(jié)構(gòu)基頻、最大懸臂狀態(tài)屈曲系數(shù)、成橋狀態(tài)屈曲系數(shù)相差則不超過2%，AASHTO規(guī)范規(guī)定的判別條件更適用于本項(xiàng)目。但圓弧角度>5°時(shí)，梁端反力、扭矩和薄壁墩橫向彎矩差異明顯，不同圓曲線結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算對(duì)比如表4所示，須按實(shí)際平曲線建模分析。

表4 不同圓曲線結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算對(duì)比

由于連續(xù)剛構(gòu)采用掛籃懸臂澆筑施工，平曲線的存在導(dǎo)致懸澆梁段主梁重心與道路設(shè)計(jì)線之間產(chǎn)生偏心，使最大懸臂狀態(tài)時(shí)及成橋狀態(tài)后的薄壁墩承受較大的橫向彎矩。本橋設(shè)計(jì)時(shí)通過對(duì)薄壁墩身的墩頂段施加豎向預(yù)應(yīng)力，改善結(jié)構(gòu)受力，并適當(dāng)加強(qiáng)墩身普通鋼筋配置以增加安全儲(chǔ)備。

梁端過渡墩處支反力差異主要受支架現(xiàn)澆梁段和邊中跨合龍段的影響，因而在不同平曲線條件下差異不大。

4.3 主墩構(gòu)造與頂推合龍?jiān)O(shè)計(jì)

本橋主墩高跨比為1/5.4～1/3.6，因雙肢薄壁墩抗彎剛度大、縱向水平剛度小，且溫度和收縮徐變引起的內(nèi)力小，此外還有削減墩頂負(fù)彎矩峰值的作用，故本橋主墩選用雙肢薄壁墩進(jìn)行設(shè)計(jì)。薄壁墩身為6.5 m×2 m的矩形實(shí)心截面，雙肢凈距為7 m，1號(hào)橋墩高約為42 m、2號(hào)橋墩高約為28 m。

為使主墩的應(yīng)力均勻、剛度過渡平順，在主墩與箱梁結(jié)合處設(shè)置50 cm×50 cm倒角。承臺(tái)厚度為4.5 m，平面尺寸為11.6 m(順橋向)×10.6 m (橫橋向)。為減少阻水，承臺(tái)四周設(shè)置R=2.3 m的圓倒角，承臺(tái)底面標(biāo)高不低于水電站蓄水位。承臺(tái)為高樁承臺(tái)，樁基為4根Φ2.8 m灌注樁，主墩構(gòu)造如圖4所示。

圖4 主墩構(gòu)造(單位:cm)

為減少河道沖刷及汛期河道內(nèi)漂流物的影響，樁基自承臺(tái)底面至河床底范圍內(nèi)設(shè)置永久性鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒內(nèi)徑為3.0 m、壁厚為25 mm，采用Q235C鋼板卷制而成。

由于2號(hào)橋墩高跨比較1號(hào)橋相應(yīng)比值明顯減小，為部分抵消橋墩墩身的初始彎矩，消除由于合龍溫差、混凝土長期收縮徐變等因素導(dǎo)致的主墩偏位，改善結(jié)構(gòu)受力，可采用頂推合龍的技術(shù)手段對(duì)橋墩彎矩進(jìn)行調(diào)幅[2]，頂推合龍墩底彎矩調(diào)幅示意如圖5所示。

圖5 頂推合龍墩底彎矩調(diào)幅示意

對(duì)2號(hào)橋中跨合龍段懸臂端逐級(jí)施加700 kN的頂推力,頂推力分級(jí)加載，每級(jí)不大于140 kN，頂推力作用于合龍段截面形心處。當(dāng)頂推力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，焊接臨時(shí)合龍段內(nèi)外剛性支撐。

5 引橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)

5.1 超高段上部預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁，平面位于小半徑圓曲線和緩和曲線上，沿路線中心線采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑，墩、臺(tái)中心線按照徑向布置。采用調(diào)整預(yù)制梁長的方式布梁以適應(yīng)平曲線引起的內(nèi)外側(cè)梁長不等的情況。對(duì)于超高段采用梁體平置，預(yù)制梁均按±2%頂面橫坡預(yù)制，蓋梁橫坡與橋面橫坡相同，預(yù)制梁中心線處的調(diào)平層厚度為10 cm,通過調(diào)平層不等厚實(shí)現(xiàn)橋面i%橫坡，引橋超高段橋面橫坡形成示意如圖6所示。

(a) 主梁及蓋梁橫向布置

(b) 調(diào)平層厚度變化圖6 引橋超高段橋面橫坡形成示意(單位:cm)

5.2 橋墩設(shè)計(jì)及墩梁固結(jié)構(gòu)造

引橋橋梁下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩，當(dāng)墩高>35 m時(shí)采用雙柱矩形實(shí)心墩；墩高≤35 m時(shí)采用圓柱式橋墩。樁間系梁及承臺(tái)以外露2/3、埋入1/3為原則構(gòu)筑，減少施工開挖和對(duì)周邊環(huán)境的破壞。

為預(yù)防在縱坡方向由于梁體自重分力和汽車爬坡、下坡時(shí)對(duì)梁體施加的外力而引起的梁體滑移，并減少高墩計(jì)算長度系數(shù)、提高穩(wěn)定性，當(dāng)縱坡>3.0%或墩高>30 m時(shí)設(shè)置墩梁固結(jié)。為提高錨固節(jié)點(diǎn)受力性能，滿足承載力和裂縫寬度的要求，墩梁固結(jié)處的現(xiàn)澆中橫梁寬度由通用圖中的35 cm加厚至70 cm，墩梁固結(jié)節(jié)點(diǎn)示意如圖7所示。

圖7 墩梁固結(jié)節(jié)點(diǎn)示意(單位:cm)

5.3 陡坡樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)，持力層為中風(fēng)化花崗巖。嵌巖深度的確定須充分考慮自然地面陡坡、巖性、上部覆蓋層厚度和地層坡度的影響，陡坡段樁基嵌巖深度控制原則示意如圖8所示。本項(xiàng)目引橋沿山坡布設(shè)，坡度約為35°～45°，屬于陡坡基礎(chǔ)。

圖8 陡坡段樁基嵌巖深度控制原則示意

當(dāng)坡度較大時(shí)，由于臨坡面樁側(cè)土體的缺失，會(huì)造成樁基側(cè)摩阻力無法充分發(fā)揮。當(dāng)橋梁樁基距陡坡臨坡面的距離≥3倍樁徑時(shí)，可認(rèn)為樁前巖土體可以為樁基提供可靠水平抗力[3]，通過此原則來控制樁基實(shí)際有效樁長。為減少高側(cè)樁基對(duì)低側(cè)樁基受力的影響, 設(shè)計(jì)時(shí)要求相鄰樁基的樁底高差不能超過樁間距。

當(dāng)中分化巖層埋深較深，樁基側(cè)摩阻力占比較大時(shí)，可根據(jù)有效覆蓋層厚度適當(dāng)減小嵌巖深度。本橋設(shè)計(jì)：當(dāng)有效覆蓋層厚度<5 m時(shí)，嵌巖深度按4倍樁徑控制，當(dāng)覆蓋層厚度>25 m時(shí)，嵌巖深度按1.5倍樁徑控制，中間厚度按內(nèi)插取值。

施工時(shí)對(duì)陡坡段容易發(fā)生滾石、落石地段進(jìn)行排查，采取盡早清除、主動(dòng)防護(hù)等措施，并添加安全防護(hù)標(biāo)識(shí)，確保施工安全。

5.4 橋隧相接設(shè)計(jì)

定安河1號(hào)橋小樁側(cè)處為分離式路基斷面，橋臺(tái)處為路塹段，開挖深度約為3 m，橋臺(tái)伸入山體6 m 并與雞尾嶺隧道相接。雞尾嶺隧道為小凈距分離式隧道，洞門形式為削竹式，此處橋臺(tái)取消耳墻，與隧道洞口的明洞段相接，橋臺(tái)背墻與明洞段之間設(shè)置2 cm結(jié)構(gòu)縫，兩者各自受力、互不影響，橋隧相接構(gòu)造示意如圖9所示。除保證車道連續(xù)對(duì)應(yīng)外，左線橋梁在隧道進(jìn)口處設(shè)置護(hù)欄過渡段，以保證橋隧斷面銜接。

圖9 橋隧相接構(gòu)造示意(單位:cm)

6 結(jié)論

海南橫線高速公路定安河大橋段由于路線受整體規(guī)模、現(xiàn)場金礦及水電站、水文條件等多方面因素的制約，橋梁須采用沿河、沿山坡的長橋總體設(shè)計(jì)。為適應(yīng)特殊地形和水文條件，1號(hào)橋梁和2號(hào)橋梁采用整體水文計(jì)算分析，設(shè)計(jì)包含大跨徑曲線連續(xù)剛構(gòu)橋構(gòu)造、頂推合龍、陡坡基礎(chǔ)、橋隧相接等特殊內(nèi)容，設(shè)計(jì)成果取得了良好的應(yīng)用效果。海南橫線(萬寧至洋浦)高速公路于2015年11月18日開工建設(shè)，于2019年12月28日全線通車，運(yùn)營狀況良好。