高墩大跨剛構-連續組合梁橋的設計

張 揚

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司橋梁院，北京 102600)

1 概述

圖1 3-(60+3×100+60)m立面布置(單位:cm)

該橋主橋橫跨深溝溝壑，地形起伏致使墩高差別較大，第1聯11～14號墩墩高分別為 44.5、60.5、81.5、89 m;第2 聯15 ～19 號墩高分別為90、106、106、96 m;第3 聯 21 ～24 號墩高分別為 89、90、90、80 m。本橋基礎均采用鉆孔灌注樁基礎，橋墩和基礎的整體剛度相對于梁部剛度偏小，采用墩梁固結的連續剛構形式與采用連續梁橋相比，要更經濟、合理。本橋3主跨的溫度跨度達到300 m，由于混凝土收縮、徐變溫度應力引起的次內力也較大，采用固結中間2個剛構墩的剛構-連續組合梁的形式要優于固結中間4個主墩的連續剛構形式。

因此，本橋3聯主橋最終采用剛構-連續組合梁橋形式，這種橋式的優點在于減少了大型高墩橋梁的支座和養護問題，優化了橋墩和基礎的材料用量。這種橋式在受力方面，上部結構仍為連續梁特點，但必須計入由于橋墩受力及混凝土收縮、徐變、溫度變化引起的彈性變形對上部結構的影響。橋墩具有一定的柔度，所受的彎矩相對較小，而在墩梁固結處具有剛構受力的特點。

2 上部結構設計

2.1 主梁構造

主橋梁部采用預應力混凝土連續箱梁結構，每聯計算跨度為(60+3×100+60)m，1聯梁全長421.5 m。箱梁采用變截面、變高度單箱單室結構，梁高4.5～7.5 m，頂寬10.9 m，底寬7.0 m。頂板厚度除梁端附近區段外均為40 cm，底板厚度按照圓曲線形式從40 cm變化至100 cm，并在中隔墻附近進行局部加厚。每聯剛構-連續組合梁在梁端、支墩和跨中處設置橫隔墻，橫隔墻設置進人洞，此外，剛構主墩在底板處設置R=80 cm的圓形進人洞，供檢修人員通過。梁體下緣除各中跨中部10 m和邊跨端部15.75 m為4.5 m的等高直線段外，其余為圓曲線變化段。主橋梁部剛構墩支點和跨中橫斷面如圖2所示。

2.2 主梁預應力體系

圖2 1/2中墩隔墻截面和跨中截面示意(單位:cm)

主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系。縱向預應力束采用15－7φ5 mm、17－7φ5 mm 和19－7φ5 mm 3種高強度、低松弛鋼絞線，抗拉標準強度fpk=1 860 MPa，鋼束的錨下張拉控制應力為0.7fpk=1 302 MPa。由于3聯剛構－連續組合梁相連，邊跨頂板、底板鋼束梁端設為固定端，采用單端張拉形式，其余縱向鋼束均采用兩端張拉。

頂板橫向預應力采用每束4φ15.24 mm的鋼絞線，鋼絞線材料特性同縱向預應力束。頂板橫向預應力束采用單端交錯張拉方式。

為了提高梁體抗剪能力，增加安全儲備，腹板豎向預應力采用φ32 mm預應力混凝土用精軋螺紋鋼筋。豎向預應力縱向間距50 cm，在墩梁固結段，豎向預應力筋深入墩身處4 m。

3 下部結構設計

為減少下部結構對梁部縱向變形的約束，橋梁下部的縱向剛度應較小，而為了保證列車運行的平穩、安全，下部結構的橫向剛度應滿足一定要求。在能使橋梁結構有一定縱向柔度的同時，橫向剛度較大并能滿足要求是下部結構設計需要達到的目標。對于高墩結構，除了進行常規的應力強度檢算之外，設計中必須要考慮墩頂位移、墩身剛度、穩定性、合龍頂推力、固端干擾力，溫度應力的影響等等，設計難度大且復雜[3-6]。

顯效——餐后2h血糖處于8.0 mmol/L以內,FPG處于7.0 mmol/L以內,血糖得到穩定控制;有效——餐后2h血糖處于11.0 mmol/L以內,FPG處于8.0 mmol/L以內,血糖較治療前明顯控制但未基本穩定;無效——血糖控制效果未達預期目標。

3.1 橋墩結構的設計

在跨越險峻溝谷的高墩橋梁中，矩形空心墩是高墩的主要形式之一，因可以節省圬工、減輕自重并降低對地基強度的要求，得到較廣泛的應用。本橋3聯主橋墩高最高達到106 m，屬于典型的高墩結構。橋墩設計采用矩形鋼筋混凝土空心墩，設置圓弧倒角過渡。

3.1.1 剛構墩結構形式的擬定

為減小主墩縱向剛度，在滿足墩身應力強度指標、墩頂位移量、整體和局部穩定要求的前提下，墩身的縱向尺寸需要減小。本橋墩頂截面外緣尺寸為8 m×8 m，第1聯和第3聯順橋向采用1∶0直坡，第2聯主墩受地質條件影響，縱向由于承臺剛性角控制，外壁采用35∶1，內壁采用70∶1變坡形式。為滿足全橋橫向剛度和主橋上、下部結構的傳力要求，剛構主墩橫向采用掃帚形。設計中對比了以下4種橋墩橫向結構形式(以第2聯17、18號墩為例)，如圖3所示。

(1)外坡采用雙變坡形式，在墩頂以下70 m采用35∶1，70 m至承臺頂采用5∶1，內坡采用70∶1的一次變坡形式，內昆鐵路李子溝特大橋主墩橫向構造采用這種變坡形式[2]。

(2)內外坡均采用雙變坡形式，墩頂以下70 m外坡采用35∶1、內坡采用70∶1;70 m至承臺頂外坡采用5∶1，內坡采用8∶1。此種結構形式相對于形式1，在保證橫向剛度的同時節省了混凝土圬工，減輕了墩身自重。

(3)在形式2的基礎上，墩身理論變坡點，外坡設計采用R=120 m的圓弧過渡，內坡設計了R=100 m的圓弧過渡，優化了墩身的線形，增強了與山區環境的景觀效果的協調性。

(4)墩頂以下20 m采用1∶0直坡形式，20 m至承臺頂外坡采用R=407.794 4 m的圓曲線至承臺頂，內坡采用R=678.091 4 m的圓曲線至實體段上。蘭渝線新井口嘉陵江四線特大橋(84+152+76)m連續剛構主墩橫向采用這種形式。

本橋剛構主墩采用圖3(c)墩身類型，橫向采用掃帚形式，上部較陡，下部較緩，且墩身內外壁雙向變坡，減少了混凝土的工程量，設置圓弧倒角過度，使墩形變化漸緩，增強景觀效果。圖3(d)墩形采用圓曲線，雖然墩形變化沒有突變，但增加了施工難度。本橋采用矩形空心墩較雙薄壁墩對提高橫向剛度更為有利，對于墩高達到百米的超高墩結構，矩形空心墩能提供較好縱向柔度，使之更接近連續梁。

3.1.2 空心墩實體段的設置

圖3 不同墩身截面形式比較(單位:cm)

本橋剛構墩在墩頂處設置0.5 m實體段，并設R=80 cm的圓形進人洞，活動墩墩頂設置5 m實體段，各墩墩底均設置4 m的實體段。剛構墩墩梁固結處設置較少的實體段，可減少墩頂的集中質量，節約圬工又對橫向剛度有利。活動墩墩頂實體段的設置使支座反力均勻的傳至墩壁，并減少活載沖擊力對墩壁的影響。墩壁與實體段之間有相互約束，應力比較復雜，存在固端干擾力的影響，本橋在設計時對墩頂墩底的應力乘以增大系數的方法，并考慮墩身的固端干擾應力[7]。

3.2 墩頂彈性水平位移

剛構－連續梁高墩橋墩頂位移量成為墩身截面需要考慮的控制條件。墩頂縱向水平位移是與墩身縱向剛度密切相關的，如果縱向剛度過大，則會增加混凝土收縮、徐變、制動力、溫度力、活載作用下的結構內力;縱向剛度如果過小，則會增加墩頂水平位移量。墩頂的橫向水平位移是控制橋梁橫向剛度的要求之一。

高墩的墩頂水平位移由幾部分組成，縱向位移計入制動力、縱向風力等縱向外力引起位移ΔH，橫向位移計入離心力、橫向風力、搖擺力等橫向外力引起的位移ΔL'，此外墩頂縱向、橫向水平位移都還應包括基礎不均勻沉降引起的位移ΔD和日照溫差產生的位移ΔR。在日照溫差作用下，剛構墩頂的水平位移由于墩梁的固結不能完全釋放，從而產生很大的溫度附加力。墩身的日照溫差變形類似于梁體混凝土的收縮、徐變，是一個緩慢的過程，不可能突然集中的產生或者消退。因此日照溫差下墩頂的水平位移可不計或者計入0.5倍的位移量。本橋剛構墩頂處縱向彈性水平位移之和為41.89 mm，滿足縱向位移的要求，橫向位移最大為12.1 mm，滿足橫向位移40 mm的要求(L為橋墩兩側較小跨度)[1]。

3.3 橫向剛度

主橋橫向剛度除了要滿足墩頂橫向位移的要求外，還需要控制結構自振特性，參考南昆鐵路四座大橋設計的要求(鐵道部建鑒[1992]93號文“關于南昆鐵路線四座大橋橫向剛度的補充技術要求”)，以其橫向自振周期T=1.7 s控制。本橋3聯最大橫向自振周期T=1.62 s，橫向剛度滿足要求[9]。

3.4 墩身穩定性

空心高墩按照軸心受壓構件驗算整體穩定性。局部穩定從試驗分析得出當壁厚t≥(1/10～1/15)b時，一般空心墩可不設置隔板(b為矩形截面板寬)。此外，墩身超過40 m墩壁不宜太薄，厚壁與薄壁相比，薄壁墩混凝土數量較少，但鋼筋用量較多，且增加施工難度，故目前高墩設計中，以采用厚壁墩較多。本橋剛構墩墩頂壁厚1.5 m，截面8 m×8 m，活動墩墩頂壁厚80 cm，墩頂橫向寬度11.4 m，空心墩的局部穩定性得以保證，因此沒有設置橫隔板。

3.5 溫度應力對墩身結構的影響

空心墩由于墩內通風不良，且混凝土本身導熱性能低，故當墩周氣溫發生驟變時，墩壁內外產生較大溫差，截面溫度變形受到約束而產生溫度應力。空心墩上作用的日照、太陽輻射及寒潮等溫差荷載模式依據資料介紹，按照指數曲線分布。寒潮降溫負溫差作用下墩壁外側受拉，內側受壓，日照升溫正溫差作用下則外側受壓，內側受拉。本橋設計中采用不同軟件對墩身溫度應力進行對比計算，日照正溫差作用下，墩外壁最大壓應力不超過5 MPa，墩內壁拉應力不超過3 MPa。由于空心墩截面尺寸遠大于壁厚，徑向應力相對于豎向應力較小，設計時僅需要考慮空心墩的豎向應力即可。此外，墩身高墩對溫度應力影響不大[8]。

4 主橋基礎設計

本橋橋址地質狀況復雜，橋址區土壤最大凍結深度為1.25 m。本橋覆蓋土層砂質黃土具有濕陷性，基礎設計時需要考慮黃土濕陷性對工程的影響。此外，橋址處巖溶主要發育為溶洞，溶洞呈弱發育形態。

該橋3聯剛構-連續組合梁各個橋墩基礎地質情況相差較大，11～14號墩和20～24號墩采用端承樁基礎，15～19號墩采用摩擦樁基礎。第2聯剛構-連續組合梁17、18號剛構主墩采用40根φ2.0 m鉆孔灌注摩擦樁基礎，第1、第3聯剛構主墩分別采用24根和32根φ2.0 m端承樁基礎。墩身與群樁基礎是通過承臺聯結，承臺尺寸必須保證將墩底巨大的荷載向群樁基礎傳遞，并滿足剛性角的要求。本橋最大剛構主墩17、18號墩設上下兩層承臺，下層承臺尺寸達到24.2 m×39.95 m。

5 合龍段頂推力的確定

對于大跨度剛構-連續組合梁橋由于混凝土收縮徐變和合龍溫差等因素，對結構產生附加次內力和主墩的水平位移。為了優化結構受力狀態，減小墩底內力和位移，在中跨合龍前施加頂推力。本橋設計采用施加3 000 kN的縱向水平推力。中跨合龍完成后，形成了穩定的п結構，再進行次中跨合龍，拆除臨時支座更換永久支座，最后邊跨合龍[10]。

6 結語

結合1座在建3－(60+3×100+60)m剛構-連續組合梁橋實例，對該類橋梁的設計總結出以下幾點。

(1)大跨度預應力混凝土剛構-連續組合梁橋，其主墩的選型和設計是該類橋梁設計的關鍵技術。既要滿足縱向柔度，還要保證橫向剛度。該橋主墩橫向采用內外雙向放坡，并在理論變坡位置設置圓弧過渡的墩形結構，這種結構具有傳力合理，經濟性高，并與周圍山區景觀相協調等優勢。

(2)高墩設計中，墩頂彈性水平位移量、墩身剛度、穩定性、溫度應力的影響、固端干擾力等方面的設計及控制要求是高墩結構設計的關鍵技術。

(3)通過合龍前施加頂推力，減小了剛構-連續組合梁橋由于混凝土收縮徐變、合龍溫差等引起的附加次內力，平衡了主墩水平位移，對橋梁結構后期受力有利，增加了結構安全度。

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