流田水大橋雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)墩形式變更及優(yōu)化

譚 陽(yáng),白 峰,段坤辰,史茜茜

（中交中南工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

在山區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中，常常因地形、河流等原因，在一些特殊環(huán)境下需設(shè)置變形墩或者異形組合墩。該文結(jié)合流田水大橋工程橋梁結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，從施工工期、施工環(huán)境條件和施工投資成本等方面，比選了雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)墩和空心薄壁墩方案。

1 工程背景

1.1 工程概況

龍尋高速工程作為粵贛兩省新的省際通道，全線位于河源市龍川縣上坪鎮(zhèn)境內(nèi)，路線全長(zhǎng)9.419 km。采用雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，橋梁寬度采用（12.5×2）m。

流田水大橋是該高速工程的重要組成部分，路線位于流田水陂頭潭水電站上游50～250 m 范圍內(nèi)，與河流方向斜交，角度為144.77°～157.69°，在橋梁影響范圍河段，右岸有部分農(nóng)田，左岸基本以山體居多。該工程所在河段非鎮(zhèn)圩段，現(xiàn)狀無(wú)堤防，所在位置大多為自然岸坡，河岸相對(duì)穩(wěn)定，規(guī)劃防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。

1.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)方案

流田水大橋橋跨布置為16×40 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力T 梁。下部結(jié)構(gòu)橋墩主要采用柱式墩，水下混凝土灌注樁，承臺(tái)為矩形承臺(tái)。大橋橋墩中左幅2～6 號(hào)墩、右幅2～5 號(hào)墩采用薄壁墩，薄壁墩身與蓋梁呈54.77°～67.69°夾角，墩身高43.7～53.7 m，其余橋墩采用雙柱式墩。大橋路線方向與河流方向呈30°～40°夾角，為保證防洪阻水率滿(mǎn)足要求，原方案其墩身下部為雙肢薄壁墩；因上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制T 梁正交，蓋梁與路線方向?yàn)?0°夾角；墩身下部雙肢薄壁軸線與蓋梁軸線呈54.77°～67.69°夾角，因此橋墩為扭轉(zhuǎn)變形墩。

原設(shè)計(jì)方案墩身下部雙肢薄壁墩，截面總長(zhǎng)6.8 m，截面總寬2.6 m，薄壁板厚0.8 m，肢凈距為1 m。雙肢薄壁墩隔板高差為15 m，墩身上部設(shè)置總高12 m 的變形段與蓋梁進(jìn)行銜接，變形段共分為三個(gè)部分，下部為4 m 高雙肢薄壁實(shí)心段（截面2.6×6.8 m），中部為6 m 高“X”形實(shí)心段，上部為2 m 高順蓋梁矩形實(shí)心段（截面2.6×5.5 m）。橋墩立體及平面圖如圖1 所示。

圖1 雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)墩結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計(jì)變更的必要性

雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)變形墩減小洪水阻水率，可以滿(mǎn)足水利管理部門(mén)要求，但存在以下施工缺點(diǎn)：

2.1 模板多變、施工困難

原設(shè)計(jì)雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)墩施工工序較多，墩身多種斷面轉(zhuǎn)化，變形墩X 截面段模板存在不規(guī)則、異形等特點(diǎn)，且9 個(gè)墩中平面夾角多達(dá)7 種角度，模板加工要求高，拼裝難度大，施工困難。

2.2 支撐系統(tǒng)設(shè)置困難

截面段支撐平臺(tái)懸挑大、平臺(tái)下需設(shè)置多重防護(hù)系統(tǒng)，X 截面支撐平臺(tái)設(shè)置在6×2.6 m 實(shí)心段上，平臺(tái)平面達(dá)9×8 m，需外挑2.5 m 以上，懸挑上部澆筑混凝土高度達(dá)8 m；X 截面段支撐平臺(tái)具有大懸挑、重荷載的特點(diǎn)。

2.3 施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、工期長(zhǎng)

墩身下部為雙肢薄壁墩，其變形對(duì)不均勻荷載敏感性較大。X截面段為異形，模板拼裝、鋼筋綁扎周期長(zhǎng)，經(jīng)測(cè)算平均一個(gè)墩的施工周期達(dá)到140 天左右，成本投入巨大，工期難以保證，高空施工風(fēng)險(xiǎn)大。

因此，流田水大橋下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變更尤為重要，應(yīng)盡量減少河道占用時(shí)間，確保整體施工安全及滿(mǎn)足進(jìn)度要求，通過(guò)變更實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目效益最大化。

3 橋梁下部結(jié)構(gòu)變更方案及影響分析

3.1 雙肢薄壁墩變更為空心薄壁墩

結(jié)合防洪評(píng)價(jià)報(bào)告有關(guān)要求，將流田水大橋左幅2～6號(hào)，右幅2～5號(hào)雙肢薄壁墩調(diào)整為空心薄壁墩。如圖2所示。

圖2 等截面空心薄壁墩設(shè)計(jì)示意圖

其中除左右幅4 號(hào)墩承臺(tái)軸線基本順?biāo)鞑荚O(shè)外，其余橋墩承臺(tái)按正交布設(shè)；4 號(hào)墩承臺(tái)底標(biāo)高提升至設(shè)計(jì)洪水位之上，對(duì)于被抬高的4 號(hào)墩承臺(tái)采用四角倒圓弧設(shè)計(jì)，減少泄洪期間漂流物滯留、掛住的風(fēng)險(xiǎn)，將原土質(zhì)緩邊坡調(diào)整為較陡的混凝土擋墻；加強(qiáng)了高樁承臺(tái)樁基的抗撞擊設(shè)計(jì)，在配筋滿(mǎn)足強(qiáng)度、裂縫驗(yàn)算的前提下，增設(shè)永久性鋼護(hù)筒，對(duì)樁身進(jìn)行保護(hù)；橋墩軸線調(diào)整至與水流交角小于5°，滿(mǎn)足阻水率小于8%的規(guī)范要求[1]。

3.2 兩種方案進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

原設(shè)計(jì)方案與變更方案的進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)性部分對(duì)比如表1 所示。

表1 涉水區(qū)域橋梁下部結(jié)構(gòu)方案比較

兩方案均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)比較，變更后方案具有的優(yōu)勢(shì)為：①截面單一，組合模板自重較輕，采用小噸位塔吊即可滿(mǎn)足施工需要，同時(shí)模板周轉(zhuǎn)循環(huán)效率提高，減少拼接截面及次數(shù)，有利整體施工進(jìn)度控制，施工工期減少137 d，施工平均工效比翻模高50%，確保滿(mǎn)足進(jìn)度要求；②結(jié)合施工環(huán)境，降低施工難度及高空施工風(fēng)險(xiǎn)，模板自帶施工防護(hù)平臺(tái)降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全；③工程量較省，建安費(fèi)投資較原方案節(jié)省380.6 萬(wàn)元；④施工總成本降低544.1 萬(wàn)元，施工利潤(rùn)扭虧為盈；⑤墩柱整體外觀、養(yǎng)護(hù)及線性質(zhì)量容易保證。

3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性部分對(duì)比

根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)建立結(jié)構(gòu)模型對(duì)該橋左幅1～2 跨（雙柱墩，高20 m）、右幅6～8 跨（雙柱墩，高34 m）、右幅3～5 跨（雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)變形墩及空心薄壁墩，高54 m）進(jìn)行整體模型穩(wěn)定性計(jì)算。荷載包括恒載、汽車(chē)荷載、風(fēng)荷載、流水壓力。

（1）左幅1～2 跨—雙柱墩位移分析。汽車(chē)荷載考慮偏載，伸縮縫處支座為滑動(dòng)支座，其橫向位移分析如圖3 所示。

圖3 左幅1～2 跨—雙柱墩橫向位移分析圖

中墩墩頂橫橋向位移0.011 m，伸縮縫梁端橫橋向位移0.018 m。

（2）右幅6～8 跨—雙柱墩位移分析。汽車(chē)荷載考慮偏載，伸縮縫處支座為滑動(dòng)支座，其橫向位移分析如圖4 所示。

圖4 右幅6～8 跨—雙柱墩橫向位移分析圖

中墩墩頂橫橋向位移0.026 m，伸縮縫梁端橫橋向位移0.033 m。

（3）右幅3～5 跨—雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)墩位移分析。汽車(chē)荷載考慮偏載，伸縮縫處支座為滑動(dòng)支座，其橫向位移分析如圖5 所示。

圖5 右幅3～5 跨—雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)墩橫向位移分析圖

墩頂橫橋向位移：邊墩0.044 m、中墩0.114 m，伸縮縫梁端橫橋向位移0.127 m。

（4）右幅3～5 跨—空心薄壁墩位移分析。汽車(chē)荷載考慮偏載，伸縮縫處支座為滑動(dòng)支座，其橫向位移分析如圖6 所示。

圖6 右幅3～5 跨—空心薄壁墩橫向位移分析圖

墩頂橫橋向位移：邊墩0.005 m、中墩0.025 m，伸縮縫梁端橫橋向位移0.033 m。

（5）綜合分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)模型驗(yàn)算，雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)變形墩跨與相鄰跨間橫向位移量差值較大（約0.09 m），對(duì)行車(chē)安全和舒適性有較大的影響；等截面空心薄壁墩邊墩頂與橋面梁間橫向位移量達(dá)0.08 m，需對(duì)支座與T梁、T 梁與擋塊間進(jìn)行特殊的構(gòu)造設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更優(yōu)。如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)位移對(duì)比表

3.4 設(shè)計(jì)變更的影響分析

橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)變更對(duì)整體工程具有直接影響，其中主要體現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、項(xiàng)目施工組織設(shè)計(jì)、防洪評(píng)價(jià)、項(xiàng)目成本和項(xiàng)目投資5 個(gè)方面。

3.4.1 橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

空心墩相較于實(shí)心墩柔性較好，當(dāng)橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，或者在墩梁固結(jié)處的橫向力會(huì)對(duì)墩底處產(chǎn)生一個(gè)彎矩，而柔性墩會(huì)緩解這種壓力；空心墩能夠有效減少溫度、混凝土徐變、墩位移等引起的次內(nèi)力；并且相較于實(shí)心墩，材料相同的情況下，空心結(jié)構(gòu)使它的壓桿穩(wěn)定性大大提高[2]，極大降低了受壓失穩(wěn)的可能，行車(chē)安全性和舒適性更高。

3.4.2 項(xiàng)目施工組織設(shè)計(jì)

從項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度情況看，原設(shè)計(jì)方案可能導(dǎo)致項(xiàng)目工期極大延緩，不能保證項(xiàng)目的順利推進(jìn)。方案變更后，施工方案更靈活，可以確保工程順利完成項(xiàng)目施工。

3.4.3 防洪評(píng)價(jià)

通過(guò)阻水和壅水分析計(jì)算成果，該項(xiàng)目在P=10%頻率洪水條件下，橋墩最大阻水比為7.39%，最大壅水高度為0.01 m，影響河長(zhǎng)350 m，壅水高度較小，對(duì)河道行洪影響有限，不會(huì)影響河道原有的過(guò)洪能力；項(xiàng)目建設(shè)占用的河道面積較小，項(xiàng)目建成后對(duì)河床的沖刷淤積影響在經(jīng)過(guò)河道一般時(shí)間的運(yùn)行后會(huì)達(dá)到?jīng)_淤平衡。工程建設(shè)過(guò)程對(duì)河流的水動(dòng)力、河道的河勢(shì)穩(wěn)定基本無(wú)影響；并且項(xiàng)目采用高立交形式跨過(guò)河道兩岸，橋梁建設(shè)也基本不會(huì)對(duì)防汛搶險(xiǎn)產(chǎn)生較大影響。

3.4.4 項(xiàng)目成本

變更后空心薄壁墩方案相比原設(shè)計(jì)方案在機(jī)械投入成本、模板投入成本、材料投入及勞務(wù)成本分別縮減101.3 萬(wàn)元、61.4 萬(wàn)元、283.4 萬(wàn)元以及98 萬(wàn)元，降低了67.3%、36.5%、36.9%和43.5%，總成本減少544.1 萬(wàn)元，減幅達(dá)到41.5%，工程成本顯著減少。

3.4.5 項(xiàng)目投資

變更后空心薄壁墩方案相比原設(shè)計(jì)方案在建安費(fèi)減少380.6 萬(wàn)元，減幅達(dá)到31.3%，業(yè)主對(duì)方案優(yōu)化的結(jié)果較為滿(mǎn)意，同時(shí)項(xiàng)目部也獲得了業(yè)主的贊許。

4 結(jié)論

流田水大橋跨防洪河道雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)墩方案不僅提前高質(zhì)量竣工，從中獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為業(yè)主節(jié)省了建造成本。

該文從施工工期、施工環(huán)境條件和施工投資成本等方面，比選了雙肢薄壁扭轉(zhuǎn)墩和空心薄壁墩方案，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)受力、截面特性、經(jīng)濟(jì)性、施工難易性等方面進(jìn)行綜合驗(yàn)算對(duì)比分析，結(jié)果表明等截面薄壁墩具有更好的結(jié)構(gòu)受力、更高的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)合孔跨組合、承臺(tái)形狀調(diào)整、樁基布置調(diào)整、泄洪斷面補(bǔ)償?shù)容o助優(yōu)化措施，能夠較好地解決跨防洪河道橋墩軸線與水流交角、防洪阻水率等難題，具有較好的安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性。