連續剛構橋型在山區高速公路上的應用

楊志軍

(湖南常德路橋建設有限公司)

1 連續剛構橋的基本特點及其在山區高速公路上的應用

1.1 連續剛構橋的基本特點

連續剛構橋的基體體系是梁體連續、梁墩固結、既保持了連續梁無伸縮縫、行車平順的特點,又保持了在懸臂法施工時不需轉換體系的優點,方便施工,且有很大的順橋向抗彎剛度和橫向扭剛度,能滿足在施工和運營階段的受力要求。

1.2 連續剛構橋在結構上的特點

(1)由于墩、梁固結,要求橋墩有一定的柔度,形成擺動體支承體系,因此常用于高墩大跨徑橋梁中。

(2)由于橋型結構連續,適應車輛高速行駛;由于墩梁固結,節約了支座,并改善了結構在水平荷載作用下的受力性能,即各柔性墩按剛度比分配水平力。

(3)因順橋向抗推剛度小,故能有效的減小溫度、混凝土收縮徐變和地震影響。

(4)順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度較大,能滿足特大跨徑橋的受力要求。

(5)采用雙薄壁橋墩可以減小主梁跨徑,削掉墩頂的負彎矩尖峰,節省工程材料,外觀上顯得輕巧美觀。

1.3 連續剛構橋在施工技術上的特點

(1)大跨徑預應力混凝土連續剛構橋大多采用懸臂施工法。懸臂施工法能保證在整個施工過程中墩頂處主梁僅承受負彎矩,勿需使主梁在施工和成橋階段經受較為復雜的體系轉換過程,并懸臂現澆能夠方便地滿足截面的施工要求。

(2)由于無需設置臨時支座,體系轉換方便,施工簡單,受力明確。

(3)中等跨徑橋梁大多采用先簡支后連續裝配式施工。墩頂采用現澆混凝土連續段張拉負彎矩剛筋形成連續剛構體系。現澆連續段還能較好地調整曲線橋梁的內外弧長差。適應彎、斜橋,施工快捷方便。

(4)懸臂澆筑和先簡支后連續裝配式施工為現代化橋梁最重要的施工方法,具有適應性強,安全穩妥,施工進度快,造價低等突出優點。

1.4 連續剛構橋在山區高速公路上的應用

山區高速公路往往是沿溪展線,受地形、地質、水文的影響,路線布設時平縱橫三個方面普遍都受到約束,造成平曲線多,平面半徑較小,縱坡較大。山區高速公路橋位選擇總的原則是:中、小橋嚴格服從路線布設,大橋、特大橋等大型工程應做多方案同深度的橋位比選,并以其為控制點,總體上達到與路線走向一致,做到路、橋綜合考慮、合理銜接。

變高度預應力混凝土連續梁的合理跨徑為 60～200m,連續剛構橋的合理跨徑在 80～300m(采用輕質高強材料的連續剛構跨越能力更大),常采用懸臂施工法。在山區高速公路中,常用于跨越大的溝谷、河流,尤其在我國西部多山地區,大跨徑預應力混凝土連續箱梁和連續剛構是山區高速公路跨徑橋梁的首選橋型之一。在山區高速公路跨越大的溝谷、河流時,出現了許多高墩(墩高在 50m以上)大跨徑橋梁。重慶石板坡大橋,主跨 330m,是世界第一跨徑的連續剛構橋;陜西黃(陵)延(安)高速公路(山嶺重丘區)上的洛河大橋,橋墩高 143.5m,是亞洲第一高墩。

跨徑在 25～60m,在山區高速公路中常用于彎、坡、橋(受路線線形限制)或跨線橋中。較多采用先簡支裝配后連續的等高度預應力混凝土連續箱梁或連續剛構型式。

再舉一個應用實例:國道主干線青島—銀川高速公路在山西省離石—軍渡段,采用山嶺區四車道高速公路技術標準,整體式路面寬24.50m,分離工路面寬12.25m,路線全長 38.55km。全線位于山嶺重丘區,所經地區河谷深切,溝壑縱橫,地形和地質條件極為復雜,滑坡、采空區、坍塌、錯落體、斷層、巖溶、濕陷性黃土等。羅河大橋是離軍高速公路中的一座大橋,該橋起點位于整體式路基,在K16+485.65處左右幅分離,右幅橋位于直線段、緩和曲線和 R=1000m的圓曲線內。左幅橋位于直線段、緩和曲線和R=867.829m的圓曲線內。雙向雙幅結構,由左、右兩幅橋組成,左幅為3×25m+55m+2×90m+55m+4×25m,左幅全長471.6m,右幅為3×25m+55m+2×90m+55m+3× 25m,右幅全長446m。主橋上部為預應力混凝凝土連續剛構,引橋為 3×25m預應力混凝土連續箱梁,橋高 62.40m,為離軍高速第一高橋。在主橋設計中曾選擇主跨 90m的上承式鋼筋混凝土箱形拱橋方案作比較。最終采用預應力混凝土連續剛構橋方案。

2 在山區高速公路上連續剛構橋的總體布置與構造特點

2.1 總體布置

2.1.1 總體布置一般原則

(1)山區河流多為河谷深切,河床狹窄,岸坡陡峭落差大,枯水期流量較小,河水淺;汛期洪水陡漲陡落,洪峰時程短,水流急,流速大,水流夾帶泥砂、落石,從而影響橋墩沖刷和基礎的埋深。進行橋孔布置時,應盡量避免在河溝中間布置;難以避免時,應充分考慮沖刷,滾石對橋墩及基礎的影響。

(2)山區高速公路橋梁一般不受水文控制,對少量受水文控制的橋梁,橋長及橋孔布置須滿足水文要求;跨越河堤的橋孔,須滿足堤防部門對孔跨布置、墩位的設置和堤防汛通道凈空等方面的要求;山區河流一般通航等級較低或不通航,對通航河流應收集有關資料,滿足通航凈空要求。

(3)山區不良地質對橋型方案有直接的影響,如巖溶發育地段,橋梁宜選擇較大跨徑,減小橋墩數量,并盡量減少墩臺樁基的數量;橋址處有斷裂帶,特別是位于活動斷層地帶,橋梁盡量采用大跨跨越,同一基礎不置于斷裂線兩側;橋梁經過泥石流地段,也應適當加大跨徑。

(4)山區地形復雜,部分山谷寬深,呈V形、U形、山坡陡峭,須緊密結合地形、地質施工、運輸條件等進行橋跨布置。

2.1.2 橋梁孔跨的確定

(1)跨度與墩高的關系。

對于多孔高架橋,一般跨高比在 0.8～1.4之間較好,橋墩高度較高時,比值可以取較低值,橋墩高度較矮時,比值可以取較高值。對于中小橋跨梁橋,一般跨高比為 1.5～2.5。對于陡坡地段,以橋代路的橋梁,應進行充分的比較,避免為了縮短橋長而采用高填方、大錐坡。一般情況下橋臺高度以不于 8m為宜,條件受限的臺位最大高度建議不大于 12m。確定橋梁全長之后城擬定一個經濟跨徑并分孔。一般橋梁的布孔宜盡量采用標準跨徑布置。在同一合同段中的橋梁盡量采用相同跨徑,并且滿足結構性能的前提下盡量統一下部結構形式。

(2)主跨跨徑比。

①連續剛構橋邊跨與中跨比的確定首先取決于全橋的總體布置與自然條件的協調性。根據橋位處地形、地質、地貌、通航要求和水文條件等,一般進行對稱布置,對于山區河流,深溝等也有結合地形和地質進行非對稱布置。

②邊、主跨跨徑比應考慮梁體內力分布的合理性與施工的方便。邊、主跨的跨徑比選擇在 0.54～0.5之間,或再稍大一些時,有可能在邊跨懸臂端以導梁支承于邊墩上,合攏邊跨,而取消落地支架。

(3)連續剛構橋的總體布置。

①連續剛構橋孔不宜太多,墩、梁固結的總長度不宜太長,否則橋梁剛度過大,易由于溫度變化和混凝土由縮、徐變產生較大的次內力。

②橋墩不宜太矮,橋墩和主梁要選擇合理的剛度比。

③連續剛構橋一聯墩高布置不宜相差太大,最低墩高與最高墩高之比宜大于 0.2～0.4。

2.2 主梁構造

在山區高速公路上建橋,往往分上、下行,修成雙幅橋,單幅橋寬約 12m左右,截面為兩個分離單室箱。國內所建大跨預應力混凝土連續剛構橋的高跨比;支點約為 0.055;跨中約為0.02～0.03。

山區高速公路中小跨徑橋梁宜采用先簡支后結構連續或墩梁固結的連續一剛構混合體系,既滿足行車舒適性,又適應橋梁受力特點。25～50m的先簡支裝配后連續的等高度預應力混凝土連續剛構,主梁斷面大多選用 T梁,因為山區橋梁一般橋墩較高,滿足凈空的要求,而且T梁吊裝重量比小箱梁徑,適用于運輸吊裝裝困難的山區橋梁,同時T梁施工技術成熟,有利于保證工程質量。

2.3 連續剛構橋的橋墩形式和布置

連續剛構橋的橋墩一般采用單肢或雙肢的實體式或空心式橋墩。在墩身高度不大時(主孔跨徑小于 60m),多采用單肢式實心薄壁矩形墩身截面。在大跨連續剛構橋中一般采用雙肢樁薄壁墩。雙肢柱式墩可減小梁的負彎矩峰值,且較單肢柱式墩有較大的抗彎、抗扭剛度,能有效減小梁高,增強橫向抗風能力,提高大跨徑橋梁懸臂施工的安全性。

對于雙肢柱薄壁墩連續剛構橋,墩柱高度與主跨之比一般應大于 1/10,墩壁厚度與墩柱頂梁高之比一般為0.15～0.25。

對雙肢墩系梁的設置,墩高在 50～110m之間宜設置1道系梁,在 110m以上,設計1～2道系梁,即可滿足施工階段和成橋狀態受力和穩定性的需要。

對于彎橋可選擇空心薄壁單柱墩;當主孔跨徑在 160m以上時,主墩設置為雙肢空心薄壁墩,雙肢間距在 8m以上,以確保橋梁縱橋向抗彎剛度和穩定性需要。

2.4 基礎形式選擇

山區高速公路橋梁最常用的基礎形式是擴大基礎和樁基礎。山區一般地質情況較好,采用擴大基礎的情況相對較多,且宜采用分離式擴大基礎,因為分離式擴大基礎適應地形橫坡,承載力一般能夠滿足要求。斜坡上的擴大基礎與樁基基礎必須考慮基礎擴散角和覆蓋層厚度以及施工的相互影響。擴大基礎在滿足抗傾覆和抗滑移的前提下,須明確基底承載力和埋置深度的要求。在山區尤其應保證基礎邊緣距陡崖的安全距離,一般取 a≥5m。此外,若坡腳 β≥45°,建議對坡體穩定性進行驗算。

樁基礎一般多為嵌巖樁和柱樁,地質情況較差時采用摩擦樁。樁基施工一般多為挖孔樁,設計中能否采用挖孔樁,應結合地質情況具體分析。當遇到軟弱夾層多、卵石、漂石等容易造成塌孔的地質情況工地下水位較高、地層含有煤氣、瓦斯等有害氣體時不宜采用挖孔樁。橋墩較高時,為了提高橋墩或橋梁的穩定性,宜采用樁基礎,因為山區即使采用樁基一般也較短;或采用擴大基礎時,應與基巖錨固。嵌巖樁一般取用雙控指標,嵌巖深度和基巖強度。目前規范對嵌巖深度無明確要求,設計中一般取用2.5倍樁徑。對山區常見的陡坡位置,需按巖面陡坡的安全距離計算有效嵌巖深度,不小于 3倍樁徑。此外,溶巖區樁基一般采取穿透溶洞的做法。

3 連續剛構橋的結構分析

對于大跨徑連續剛構橋,箱梁橫截面的扭轉翹曲、剪力滯、畸變特性等非常復雜,其空間效應非常顯著。因此,對連續剛構橋展開空間受力分析和施工全過程仿真分析是十分必要的。懸臂施工過程對線形控制、高墩穩定性以及對連續剛構的體系轉換包括邊跨和中跨合龍兩墩內外肢在體系轉換前后的受力變化要進行研究。

(1)空間有限元分析程序。

目前廣泛應用的是有限元方法,預應力混凝土箱梁的空間有限元分析方法有多種離散模型,常用的有空間梁單元法、梁格法、板殼元法、三維實體法。設計者一般都希望采用橋梁專用程序。其中,交通部公路科學研究所開發的三維橋梁預應力分析系統(BridgeKF)是一個橋梁和連續剛構;而且,三向預應力與結構耦合計算,比同類程序用節點等效方法模擬更符合實際情況;對于實體單元仍然可以進行溫度、收縮徐變、預應力等分階段計算。

(2)連續剛構橋的抗風和穩定分析。

對于連續剛構橇不僅要考慮成橋后結構穩定,更重要的要考慮施工階段的穩定性。高墩大跨連續剛構穩定的最不利狀態一般出現在最大懸臂施工狀態下。

帶縱向系梁的雙肢高墩,橫橋向穩定性一般要比縱橋向差,對于跨徑較大的剛構橋容易在橫向風載下失穩。為了使設計合理,應盡量使兩方向的臨界荷載相近,可以通過增設兩幅橋間的橫橋向聯系梁或墩身設置橫向坡度使橫向剛度增加。

水平風載使墩頂產生初始水平位移,與豎向荷載共同作用產生二階效應,能顯著降低墩頂臨界力,使墩的穩定性大大降低,特別是對穩定性較弱方向的水平荷載。因此高墩大跨連續剛構橋的設計中水平風載很可能為控制荷載,要重點分析,特別是對橫橋向風載的分析。

(3)連續剛構橋的抗震設計。

對大跨度橋梁的抗震設計分兩階段進行:①在方案設計階段進行抗震概念設計,選擇一個較理想的抗震結構體系;②在初步或技術設計階段進行性抗震設計,并根據能力設計思想進行抗震能力驗算,必要時要進行減隔震設計提高結構的抗震能力。

連續剛構橋的主梁與墩剛結,因此,在進行抗震概念設計時,重點應放在塑性鉸位置的選取上。對于橋梁結構,通常希望塑性鉸出現在便于檢查和易于修復的,并且經過特殊配筋的墩柱處。應對其進行仔細的配筋設計,并通過抗震驗算,確保整體結構與薄弱部位的抗震安后性。

4 連續剛構橋的施工

4.1 懸臂掛籃澆筑

山區高速公路施工時,沿線交通不便,大件設備運輸困難,應盡量考慮采用能就地澆筑、現場拼裝或利用橋址處地形施工的結構形式和施工方法。懸臂掛籃澆筑法施工是最常規、最成熟的施工工藝。占有場地小,設備簡單。懸臂掛籃澆筑應注意線形控制。

4.2 高墩滑模施工

高墩施工方法有翻模、爬模、頂升模板、滑動滑板等。滑模施工就是將滑升模板全部施工荷載轉至墩身鋼筋(稱之為支承桿)上,混凝土澆筑至一定強度后,通過自身液壓提升系統將整個裝置沿支承桿上滑,調整后又連續澆筑混凝土并不斷循環的一個過程。

4.3 基礎施工

橋梁基礎及施工工藝的選擇須重視對自然環境的影響,避免地質災害的發生。當橋基位于山體完整性、穩定性稍差的陡坡上時,應進行陡坡的穩定性分板研究;若無法避免橋基位于順層坡面時,應選擇對坡面擾動小的橋基型式,橋基的開挖或鉆孔應采用對坡面振動小的施工工藝。

5 結 語

預應力混凝土連續剛構橋型的結構和施工技術特點,適宜于在山區高速公路上使用。預應力混凝土連續剛構橋適用跨徑范圍寬,是一種經濟合理的橋型,其設計理論明確,施工工藝成熟、安全,施工場地占用不大,運營期養護費用少。該橋型在一些山區高速公路跨越深谷、江河上應該大有用武之地。

[1] 楊樹松,周衛豐,潘鐵,等 .淺談山區高速公路的橋梁設計[J].公路,2007,(1):72-77.

[2] 《橋梁設計常用數據手冊》編寫委員會.橋梁設計常用數據手冊[M].北京:人民交通出版社,2005:470-485.