桐山溪特大橋104+200+104米連續剛構橋抗風設計探討

劉召起　閆秀梅　麥睿

摘要：沈海復線福鼎貫嶺至柘榮段為海峽西岸經濟區高速公路“二縱”國家高速公路沈陽至海口縱線擴容工程福鼎（閩浙界）至蕉城段。桐山溪特大橋位于福鼎市山前鎮山前村，跨越通鄉公路和桐山溪。文章介紹了海西高速公路網沈海復線桐山溪特大橋的總體設計、構造特點和抗風分析。

關鍵詞：連續剛構橋；構造特點；抗風分析；桐山溪特大橋；海西高速公路網 文獻標識碼：A

中圖分類號：U448 文章編號：1009-2374（2015）09-0024-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0768

1 概述

沈海復線福鼎貫嶺至柘榮段為海峽西岸經濟區高速公路“二縱”國家高速公路沈陽至海口縱線擴容工程福鼎（閩浙界）至蕉城段，是海峽西岸經濟區“三縱八橫三環三十三聯”高速公路網布局中的重要組成部分。沈海復線福鼎貫嶺至柘榮段起于福鼎市貫嶺鎮邦福村（設邦福樞紐互通與沈海高速公路銜接），經福鼎市桐山街道、管陽鎮，終于福鼎市管陽鎮劉洋村（順接沈海復線柘榮至福安段），路線全長32.04km。桐山溪特大橋位于福鼎市山前鎮山前村，跨越通鄉公路和桐山溪。

桐山溪特大橋為一座整體式大橋，橋梁起點樁號：K1+166.5，終點：K1+821.5，橋梁全長655m，設計為3×30+（104+200+104）+5×30預應力混凝土連續剛構、預應力混凝土T梁，引橋T梁采用先簡支后結構連續體系，主橋采用104+200+104m連續剛構。

1.1 技術標準

1.1.1 設計行車速度：80km/h。

1.1.2 設計基準期；100年。

1.1.3 設計安全等級；橋梁結構為一級。

1.1.4 設計荷載：公路-I級。

1.1.5 高程系統：1985國家高程基準，坐標系：1954年北京坐標系。

1.1.6 橋面寬度：本橋位于整體式路基段，橋寬W=（0.5+11+0.5）+0.5+（0.5+11+0.5）=24.5m。

1.1.7 橋面橫坡：單向2%（半幅橋、標準橫坡、曲線超高部分做相應調整）。

1.1.8 設計洪水頻率：按1/300洪水頻率設計，橋梁高程由路線控制，不受洪水位控制。

1.1.9 地震基本烈度：6度，地震動峰值加速度為0.05。

1.1.10 橋梁抗震設防類別為A類；抗震設防措施等級為7度。

1.1.11 氣候：（1）風速：設計基本風速取38.4m/s（1/100）；（2）溫度：最冷月（元月）平均氣溫8.6℃，最熱月（7月）平均氣溫28.3℃，極端最低氣溫為-5.2℃，最高氣溫為43.2℃；（3）濕度：設計按70%取值。

1.1.12 環境類別：Ⅰ類。

1.2 橋址自然條件

橋址屬河流溝谷地貌，地勢較陡，擬建場地橫跨一由西北流向東南溪流，溪流寬約39.00～42.00m，其流量受季節性影響較大，暴雨季節流量驟增。場地內地勢陡緩，自然坡度50°～55°。整體地面標高介于56.24～215.74m之間，最大相對高差約159.50m。

地質構造上，橋址屬河流溝谷地貌，表層分布有第四系殘坡積黏性土，其下地層主要為凝灰熔巖（J3n）及其風化層。在勘探孔控制深度范圍內場地未見有空洞、采空區等洞穴。根據場地周邊環境地質條件分析，場地周邊未發現滑坡、泥石流等不良地質作用和軟土、飽和液化土層。

1.3 主要材料

1.3.1 混凝土：上構連續剛構箱梁采用C55（合攏段混凝土采用微膨脹混凝土），下構及基礎一般情況下，墩蓋梁及墩身、主墩承臺采用C40混凝土；過渡墩承臺采用C30混凝土；基樁采用C25混凝土。

1.3.2 預應力材料：預應力鋼束應采用符合GB/T5224-2003標準的高強度、低松弛預應力鋼絞線，標準強度fpk=1860MPa。預應力錨具采用OVM15系列錨具，預應力孔道采用配套的塑料波紋管，真空壓漿工藝。

箱梁豎向預應力鋼筋材料采用標準強度fpk=1860MPa的高強低松弛鋼絞線和級別PSB785的精軋螺紋粗鋼筋。體外預應力鋼絞線采用無黏結低松弛環氧涂層鋼絞線。體外束外套采用高密度聚乙烯管。錨固塊和轉向塊采用預埋無縫鋼管成孔，轉向塊處采用梳束器保證體外束束型。

2 主橋設計

2.1 總體設計

本橋跨越桐山溪，無通航要求。最大橋高187m，橋面中心設計標高：202.339m（見圖1）。

2.1.1 平面：處于A=342.053的右偏緩和曲線，直線段上，主橋平面位于直線段。

2.1.2 縱面：依次位于2%的直坡段、R=16000m凹曲線內，主橋縱面位于2%的直坡段。

2.1.3 橋梁寬度：本橋位于整體式路基段，橋寬W=左幅橋（0.5防撞護欄+11行車道+0.5防撞護欄）+0.5+右幅橋（0.5防撞護欄+11行車道+0.5防撞護欄）=24.5m。

2.2 主橋上部構造

主橋上部為（104+200+104）m三跨預應力混凝土變截面連續箱梁，采用分離的上、下行獨立的兩座橋，單幅單箱單室截面，箱梁高度跨中為4.57m，支點處箱梁中心梁高12.57m，由距主墩中心5.5m處往跨中方向94.5m段按1.5次拋物線變化。箱梁頂寬12m，底寬7m，頂板懸臂長度2.5m。箱梁澆筑分段長度依次為：14m長0號段+12×3m+14×4m，邊、中跨合攏段長均采用2m，邊跨現澆段長2.56m（見圖2、3）。

2.3 主橋下部構造

本橋4、5號橋墩為主橋橋墩，即墩梁固接墩，4號橋墩雙肢墩高分別為106.915m和107.085m；5號橋墩雙肢墩高分別為115.915m和116.085m。墩身采用雙肢等截面矩形空心墩，肢間凈距5m；空心墩在其底部設6m厚和頂部設2m厚的實體過渡段；縱、橫向隔一定距離用系梁將縱向雙臂墩連成整體以滿足結構強度及穩定要求。主墩承臺采用左右幅整體式承臺，基礎采用樁徑2.8m的鉆孔灌注樁，樁基礎按嵌巖樁設計。主、引橋間3、6號過渡墩采用等截面矩形空心墩，3號過渡墩左、右幅墩高為44m；6號過渡墩左、右幅墩高為50m。空心墩在其底部設4m和頂部設1m厚的實體過渡段，沿橋墩高度每間隔25m左右設一道橫隔板；單幅墩承臺厚3m，單幅橋基樁采用4根直徑為2.0m的鉆孔灌注樁，樁基礎按嵌巖樁設計。

3 抗風計算

3.1 風載參數計算

3.1.1 百年一遇風荷載計算：該項目所在地：福建省福鼎市，依據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01-2004）。

第一，主梁橫橋向風：FH=ρVg2CHH/2=65.2kN/m（墩支點處橫橋向風）

FH=ρVg2CHH/2=22.4kN/m（跨中處橫橋向風）

第二，主梁順橋向風：Ffr=ρVg2Cfs/2=2.4kN/m（墩支點處順橋向風）

Ffr=ρVg2Cfs/2=1.6kN/m（跨中處順橋向風）

第三，橋墩橫橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=10.5kN/m（墩頂橫橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=7.7kN/m（墩底橫橋向風）

第四，橋墩順橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=18.9kN/m（墩頂順橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=13.86kN/m（墩底順橋向風）

3.1.2 風荷載與汽車活載組合時，風荷載計算：該項目所在地：福建省福鼎市，依據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01-2004）。當風荷載參與汽車荷載組合時，橋面高度處的風速Vz取為25m/s。

第一，主梁橫橋向風：FH=ρVg2CHH/2=16.2kN/m（墩支點處橫橋向風）

FH=ρVg2CHH/2=5.6kN/m（跨中處橫橋向風）

第二，主梁順橋向風：Ffr=ρVg2Cfs/2=0.6kN/m（墩支點處順橋向風）

Ffr=ρVg2Cfs/2=0.4kN/m（跨中處順橋向風）

橋墩橫橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=2.1kN/m（墩0.65H處）

第四，橋墩順橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=3.78kN/m（墩0.65H處）

3.1.3 施工階段不平衡風荷載。該項目所在地：福建省福鼎市，依據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01-2004）。施工階段的設計風速按30年重現期計算Vsd=ηVd=0.92Vd。

成橋狀態：

主梁橫橋向風：FH=ρVg2CHH/2=55.2kN/m（墩支點處橫橋向風）

FH=ρVg2CHH/2=18.9kN/m（跨中處橫橋向風）

第二，主梁順橋向風：Ffr=ρVg2Cfs/2=2.0kN/m（墩支點處順橋向風）

Ffr=ρVg2Cfs/2=1.4kN/m（跨中處順橋向風）

第三，橋墩橫橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=8.75kN/m（墩頂橫橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=7.7kN/m（墩底橫橋向風）

第四，橋墩順橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=15.75kN/m（墩頂順橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=13.86kN/m（墩底順橋向風）

最大懸臂狀態：

第一，主梁橫橋向風：FH=ρVg2CHH/2=57.1kN/m（墩支點處橫橋向風）

FH=ρVg2CHH/2=17.0kN/m（跨中處橫橋向風）

第二，主梁順橋向風：Ffr=ρVg2Cfs/2=2.3kN/m（墩支點處順橋向風）

Ffr=ρVg2Cfs/2=1.5kN/m（跨中處順橋向風）

第三，橋墩橫橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=10.15kN/m（墩頂橫橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=8.75kN/m（墩底橫橋向風）

第四，橋墩順橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=18.27kN/m（墩頂順橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=15.75kN/m（墩底順橋向風）

3.2 最大懸臂狀態的屈曲分析

3.2.1 橫橋向風荷載作用下。荷載工況：1.0自重+1.0主梁隔板+1.0預應力+1.0橫向風荷載。

最大懸臂狀態下模型見圖4：

圖4 最大懸臂狀態模型圖

最大懸臂施工狀態，橫橋向風荷載作用下，臨界荷載系數為13.5，一階振型圖見圖5：

圖5 橫橋向風載下一階陣型圖

3.2.2 順橋向風荷載作用下。橋梁順橋向梁所受的風荷載按《風規》相關條文計算計入。橋墩上的順橋向風荷載標準值按橫橋向風壓的70%乘以橋墩迎風面積計算。順橋向風荷載作用下，臨界荷載系數為13.5，一階振型圖見圖6。1.0自重+1.0主梁隔板+1.0預應力+1.0縱向風荷載。

圖6 順橋向風載下一階陣型圖

3.3 成橋狀態的屈曲分析

3.3.1 橫橋向風荷載作用下。荷載工況：1.0自重+1.0二期恒載+1.0主梁隔板+1.0預應力+1.0護欄+1.0橫向風荷載。成橋狀態下模型見圖7：

圖7 成橋狀態模型圖

成橋狀態，橫橋向風荷載作用下，臨界荷載系數為21.15，一階振型圖見圖8：

圖8 橫橋向風載下一階陣型圖

3.3.2 順橋向風荷載作用下。荷載工況：1.0自重+1.0二期恒載+1.0主梁隔板+1.0預應力+1.0護欄+1.0縱向風荷載。順橋向風荷載作用下，臨界荷載系數為21.16，一階振型圖見圖9：

圖9 順橋向風載下一階陣型圖

3.3.3 施工階段不平衡狀態穩定分析。

施工過程中單“T”進行了下述四種工況的驗算：（1）最后一個懸臂段不同步施工，一側施工完畢，另一側施工一半，經驗算，穩定系數為13.79；（2）一端堆放的材料、機具等按4.5kN/m計，另一端空載，經驗算，穩定系數為13.5；（3）一側施工機具等動力系數1.2，另一側為0.8，經驗算，穩定系數為13.42；（4）考慮箱梁自重的不均勻性，一側懸臂自重增加4%，另一側懸臂自重減少4%，經驗算，穩定系數為13.49。上述施工過程中各不平衡工況與風載不平衡組合疊加驗算：（1）不平衡施工+風載不平衡，經驗算，穩定系數為13.78；（2）不平衡機具+風載不平衡，經驗算，穩定系數為13.46；（3）不平衡機具動力系數+風載不平衡，經驗算，穩定系數為13.42；（4）不平衡自重+風載不平衡，經驗算，穩定系數為13.49。

3.3.4 裸墩穩定分析。荷載工況：1.0自重+1.0橫向風荷載。橫風荷載作用下，臨界荷載系數為45.99，一階振型圖見圖10：

圖10 裸墩橫風載下一階陣型圖

荷載工況：1.0自重+1.0縱向風荷載。

縱風荷載作用下，臨界荷載系數為45.98，一階振型圖見圖11：

圖11 裸墩縱向風載下一階陣型圖

4 結語

本橋為高墩大跨徑混凝土連續剛構，上部主梁采用懸臂澆筑施工，施工和運營階段均存在穩定問題，設計中對結構進行了穩定性分析。計算中考慮主墩裸墩、施工至最大懸臂及成橋三個狀態，荷載組合考慮永久作用、汽車荷載、制動力、溫度作用、施工階段風荷載、順橋向百年風荷載、橫橋向百年風荷載等荷載工況。本次設計采用Midas/Civil程序進行穩定性計算，經驗算，最不利穩定系數均不小于5.0，滿足規范要求，結構具備較高的安全度。

作者簡介：劉召起（1975-），男，黑龍江寧安人，長春市市政工程設計研究院高級工程師，研究方向：道路橋梁。

（責任編輯：周 瓊）