通江河大橋曲線連續剛構設計

田　波

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院， 四川成都 610041)

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通江河大橋曲線連續剛構設計

田波

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院， 四川成都 610041)

【摘要】巴中至達州高速公路通江河特大橋，主跨采用85 m+160 m+85 m的連續剛構橋梁，位于R=1 250 m的曲線上，主墩墩高95 m。文章針對曲線連續剛構橋梁的受力特點開展了適應性的研究分析，確定了合理的橋孔布置,從構造細節、施工方式上提出了適用于曲線連續剛構的關鍵技術措施。

【關鍵詞】曲線;連續剛構橋梁;孔跨布置;細節設計

1工程概況

通江河特大橋位于巴中市平昌縣江口鎮，是巴中至達州高速公路跨越通江河的一座特大橋。主橋平面位于半徑為1 250 m的圓曲線上，通江河為Ⅵ級航道，橋高不受設計洪水位控制，由路線標高決定，橋面至水面約107 m。根據地形及總體路線情況，通江河特大橋跨徑組合為(8×40 m)簡支T梁+(85 m+160 m+85 m)連續剛構+(11×40 m)簡支T梁，橋梁全長1 110 m，橋面寬28 m(凈24.5 m+2×1.75 m人行道)。通江河大橋主橋點體布置見圖1。大橋2010年開工建設，2013年通車運營。

圖1　通江河大橋主橋總體布置

2自然條件

橋位區地形總體較為寬緩，北側最高點高程431.3 m，河床最低點高程273.82 m，相對高差為157.48 m。屬亞熱帶溫暖濕潤季風氣候，相對濕度為80 %。擬建橋位處兩年一遇洪水：Q50%=5 545 m3/s，H=300.08 m。

3曲線連續剛構孔跨布置的論證

根據橋位處地形地勢條件相對寬緩，水面寬度約320 m，最大水深約20 m，通航等級為Ⅵ級航道。橋位處于風灘樞紐庫區流速低，從控制橋梁工程規模和節約工程造價的角度出發，本項目主橋選擇連續剛構的橋型方案是適宜的。

由于本項目路線總體設計處于R=1 250 m的圓曲線上，橋面標高受路線總體控制，橋面至水面約107 m高差。針對大跨高墩的曲線連續剛構對比分析論證了160 m、200 m、250 m 三種主跨跨徑(表1)。路線曲線半徑選擇400～2 500 m四種曲線半徑進行了對比。不同的主跨跨徑在不同的曲線半徑下，在橋梁結構受力上對曲線連續剛構橋的縱向彎矩、橫向彎矩、扭矩、橫橋向位移均有不同的影響。主跨跨徑的大小對橋梁的規模和造價有直接的影響，同時主墩墩位的選擇還涉及基礎施工的難易程度。針對上述問題開展了本項目適宜跨徑的研究。

表1　橋梁結構參數

3.1縱向彎矩的影響

把連續剛構構彎橋的彎矩與相同跨徑直橋的彎矩之比定義為彎橋的彎矩修正系數。對于彎連續剛構，中跨跨中彎矩和1#塊根部彎矩是控制截面。通過計算對比分析表明：彎連續剛構的跨中彎矩修正系數與根部彎矩修正系數相比要大，在主跨跨徑大時更明顯。三處典型代表截面的彎矩修正系數均隨曲線半徑增大而減小，彎矩修正系數在曲線半徑超過800 m時影響較小，基本在1.05 以下(圖2、圖3)。

圖2　彎連續剛構跨中彎矩修正系數

圖3　彎連續剛構根部彎矩修正系數

3.2橫向彎矩的影響

彎橋的最大特點就是彎扭耦合，在自重工況下就會產生橫向彎矩，而直橋在自重工況下不產生橫向彎矩。現采用彎連續剛構的中跨跨中橫向彎矩與中跨跨中縱向彎矩的比值來分析彎連續剛構橫向彎矩的變化趨勢。中跨跨中斷面為橫向彎矩的控制斷面。橫向彎矩的變化趨勢與縱向彎矩相同，一方面隨著主跨的增大而增大；另一方面，橫向彎矩隨著平曲線半徑的增大而衰減，主跨跨徑越大，其衰減幅度越大。橫向彎矩值與中跨跨中縱向彎矩的比值在跨徑大、平曲線半徑小的情況下會很大，但平曲線半徑超過1 250 m時，衰減很快，當平曲線半徑達到2 500 m時橫向彎矩幾乎可以忽略(圖4)。

圖4　不同跨徑彎連續剛構跨中橫向彎矩與縱向彎矩比值

3.3扭矩的影響

彎橋在自重工況下會產生扭矩，連續剛構橋最大扭矩一般出現在0#塊懸臂端(1#塊交界處)，其變化規律為：隨著主跨跨徑的增大，扭矩值增大且增幅明顯；隨著平曲線半徑的增大，扭矩值減小且減幅明顯。中跨跨中橫向彎矩與縱向彎矩的比值也隨圓心角的增大而增大，當圓心角大于20°后，跨中橫向彎矩與縱向彎矩的比值也將超過30 %(圖5)。

圖5　不同跨徑彎連續剛構跨中0#塊位置扭矩

3.4橫橋向位移的影響

曲線連續剛構橋橋墩偏心壓縮導致的橋墩變形使梁體產生側向變形，梁體在彎曲的預應索作用下也產生側向變形，兩者疊加形成橫橋向位移。彎橋橫橋向的位移值隨著平曲線半徑的減小，位移值增大。對于橋梁跨度大、平曲線線半徑小時，位移值尤為明顯。橫橋向位移影響橋梁成橋線形和合龍精度，其絕對值是不能忽略的(圖6)。

圖6　不同跨徑彎連續剛構跨中橫向位移

3.5汽車活載的影響

活載影響主要在于活載的偏載對主梁結構內力的影響。計算選取汽車荷載公路—I 級車道荷載標準進行加載。分析表明，中跨外側施加車道荷載后，對結構的內力影響較大；邊跨內側施加車道荷載后，對結構的內力影響相對小。設計中充分考慮活載的偏載效應影響。

3.6對比分析結論

在內力分析中扭矩的影響效應是最大的，對平曲線半徑的變化極為敏感，正是彎橋特點的體現。當平曲線半徑越小、跨徑越大時彎扭效應更加明顯；當跨徑大、平曲線半徑小時，扭矩、跨中橫向彎矩的影響已很大，橫橋向位移值也很大。

綜合上述結論，推薦采用在R=1 250 m的平曲線上設置主跨(85+160+85) m的曲線連續剛構橋型方案,滿足結構受力、變形要求，其工程規模可控，造價節約。針對曲線連續剛構橋從構造細節、施工方式上進一步開展適應性的研究。

4主體結構設計

4.1上部結構

箱梁采用單箱單室截面，分幅設計，為三向預應力結構。箱梁頂板寬13.75 m，底板寬7.75 m，箱梁頂板設置成3 %單向橫坡。箱梁跨中及邊跨現澆段梁高3.2 m(箱梁高均以較低腹板外側為準)，墩與箱梁相接的根部斷面和墩頂0#梁段高 為10.2 m。從中跨跨中至箱梁根部，箱高以1.6次拋物線變化。箱梁腹板在墩頂范圍內厚100 cm，從箱梁1#截面至10#截面腹板厚70 cm，從11#截面至21#截面腹板厚60 cm，邊跨現澆段腹板厚60 cm。箱梁底板厚除0#梁段橫隔板范圍內為130 cm外，其余各梁段底板，從箱梁1#截面根部112.6 cm厚以1.5次拋物線漸變至跨中截面35 cm厚。

箱梁0#段長13 m(包括墩兩側各外伸1.5 m)，每個主墩“T”構縱橋向劃分為20個對稱梁段，邊跨主梁現澆段長3.80 m。梁段數及梁段長度從主墩至兩側分別為13 m(0#段)、10×3.0 m、10×4.25 m、2.0 m(合龍段)。1#～20#梁段采用掛籃懸臂澆注施工，懸臂澆注梁段最大控制重量為2 135 kN，掛籃設計自重960 kN。全橋共有3個合龍段，邊跨及中跨合龍段長度為2.0 m。

縱向預應力鋼束均采用兩端張拉；腹板束采用19φS15.2；懸臂頂板束采用23φS15.2、19φS15.2；邊跨底板束采用12φS15.2；中跨底板束采用23φS15.2、19φS15.2；中跨頂板合龍束采用12φS15.2。頂板橫向預應力束采用2φS15.2，單端張拉，橫向預應力束沿橋軸線間距50 cm。豎向預應力鋼束采用3φS15.2，采用低回縮量錨具，梁頂端張拉方式。

4.2下部構造

連續剛構9#、10#主墩為空心薄壁墩，分幅設計，整體式承臺，墩頂0#塊處設置連接橫梁。墩高93.61(95.37) m，截面為7.75 m×10 m，壁厚0.8～1 m，沿橋墩高度20 m設置一道橫隔板，墩身采用翻模施工。主墩樁基采用5 m厚承臺下設16根直徑220 cm鉆孔灌注樁基礎，樁尖嵌入弱風化巖層大于20 m。主墩承臺建議采用鋼圍堰施工。

5適應于曲線剛構的設計及施工

5.1關鍵構造細節

5.1.1橫隔板的設置

在彎連續剛構橋箱梁設計時，若增設了較密的橫隔板對減小箱梁的畸變變形較為有利，從而減小了截面畸變力矩Bdω和畸變扭矩Tdω引起的截面正應力和剪應力。

對于增加橫隔板設計對箱梁受力影響，通過對彎箱梁在跨中偏心施加一集中力，通過不設橫隔板、設3塊橫隔板、設5塊橫隔板對其跨中撓度和頂板縱向正應力進行了研究(圖7)。

圖7　橫隔板數量對截面撓度和應力影響

通過研究可以看出，增設了橫隔板后跨中撓度和頂板正應力最大值均有減小，而且橫隔板數目越多，減小值越大，但設置3～5塊橫隔板減小的數值是相當的，變化幅度不大。總體而言，對箱梁設置一定數量的橫隔板對改善箱梁受力，特別是減小箱梁畸變作用較明顯。

但設置橫隔板后，增加了施工模板和施工工序，為了改善箱梁結構受力同時又方便結構施工，最終采用在箱梁0#塊、交界墩支承處、1/8跨處增設橫隔板。箱梁為左右分幅設置，在0#塊梁段處增設橫梁將左右幅橋梁連接成整體，增強箱梁整體抗扭性。同時對橫隔板施加豎向、橫向預應力鋼筋特別加強。

5.1.2防崩鋼筋及抗扭鋼筋的設置

彎連續剛構橋中，主梁縱向預應力鋼束沿腹板曲線布置。由于箱梁為變截面設計，底板合龍鋼束沿底板也為曲線布置。當張拉鋼束時，具有水平曲率的鋼束對腹板及底板均會產生徑向壓力。這種徑向壓力往往會產生預應力鋼束從腹板、底板中崩出，造成箱梁腹板、底板沿預應力管道軸心開裂等工程問題。(1)為了防止產生過大的徑向力，在進行預應力鋼束設計時，盡量避免采用張拉噸位較大預應力鋼束。(2)鋼束盡量布置于腹板外側，錨固時平彎至腹板中心錨固。(3)在箱梁頂底板與腹板交接處，進行合理的倒棱設計，保證箱梁剛度的平順過渡并減小箱梁的畸變。(4)防崩鋼筋采用封閉箍筋或半封閉弧形與預應力鋼束密貼布置，并與四周架立鋼筋或縱向鋼筋綁扎形成可靠不變形結構。

《規范》對“彎剪扭”受力構件,在數理統計和數據回歸的基礎上，提出了半經驗半理論的計算公式，用于對工程的具體計算和設計。“橋規”的基本思路是將截面所承受的彎矩、剪力、扭矩分別計算其所需要的縱向鋼筋和箍筋，再進行疊加后進行設計。主要構造細節為：(1)箍筋應采用閉合結構，箍筋末端做成135°彎鉤。彎鉤應箍牢縱向鋼筋，相鄰箍筋的彎鉤接頭縱向位置應交替布置。(2)抗扭箍筋間距：s≤min(bcor，hcor/2，20cm)或s≤min([bcor+hcor]/4，30cm)。(3)抗扭鋼筋盡量布置在截面的外側周邊，尤其是長邊的中點主拉應力較大處及四個角隅位置。

5.1.3支座及伸縮縫的設置

對于曲線連續剛構橋，需要控制在偏心活載作用下，內側支座不產生負反力。若兩個支座反力相差達到一倍以上時，建議對支座位置進行調整，外側支座向外移動或內側支座向內移動，使兩支座受力較為均勻。本項目支座均為受壓支座，內側設計為單(縱)向盆式支座，外側支座設計為雙向盆式支座釋放徑向約束。

曲線上的連續剛構橋梁伸縮縫的變位除自由伸縮變位需求外，梁體端部在外荷載作用下還會出現平面轉動位移、豎向轉角位移。針對上述特點本項目選用具有多向變位的梳齒形板伸縮縫(圖8)，其主要優點是能較好適應曲線連續剛構橋端頭出現的縱向位移、平面轉動位移、豎向轉動位移等多項變形要求。

圖8　曲線連續剛構伸縮縫構造

5.2主墩橫向預偏量的設置

由于本橋位于R=1 250 m的圓曲線線上，主梁懸臂施工過程中，每節段鋼束張拉均會產生向曲線內側的偏移，考慮成橋階段(收縮徐變完成后)及運營階段活載影響，橫向考慮最大偏移量13 cm(向曲線內側)。本項目采取以下措施：(1)左右幅橋0#段施工完成后，施工0#塊橫向聯系梁，通過橫向聯系梁及墩間橫梁將左右主墩連接形成整體。(2)9#、10#主墩均設置向曲線外側的預偏量，由墩底向墩頂線性設置0～13 cm的預偏值。

施工中對懸臂澆筑各施工階段橫向偏位值進行了現場監控，實際偏位與理論計算值吻合度較好。合龍前橫向最大偏位為37 mm，合龍后為42 mm，后期收縮徐變完成后為116 mm。

5.3施工方案

5.3.1適應主墩橫向預偏量的總體方案

對于通江河大橋，施工時采用0#塊均是順著墩身傾斜方向澆筑，不垂直于水平面，待后續梁段施工完成后，隨著墩身預偏移量的逐漸恢復，0#塊將隨著墩身一起處于垂直水平面的狀態，亦即成橋后的理論設計狀態。

5.3.2三角掛籃及平面變位控制

三角掛籃工作原理為：底模、外模隨三角桁架向前移動就位后，分塊吊裝梁段底板和腹板鋼筋，并安裝預應力筋和管道；將內模架從已灌梁段箱體內拖出，待內模安裝完畢，再綁扎安裝頂板內鋼筋以及預應力筋與管道，然后灌注梁段混凝土；當新筑梁段預應力張拉和壓漿作業結束后，掛籃再向前移動，進行下一梁段的施工。如此循環，直至梁段懸灌完工。本項目彎梁施工的掛籃移動方向由軌道控制，軌道的安裝應根據曲線測量精確對位，以免掛籃走偏。

對已施工完成的各梁段的中心線施工圖按規定每天測量一次，以掌握其線型的總體變化，輸入微機指導下步梁段的曲線定測工作。對掛籃行進、安裝過程中的平面線形控制，實際上是控制每節段前后的平面偏移量，每節段灌注完畢、張拉完預應力后，平面線形控制則以控制該段絕對平面位置為主。以上述方法進行平面線形控制，取得了良好的效果，平面中線偏移值小于10 mm，達到了設計及施工要求。

6結束語

隨著高速公路向山區延伸，路線經過之處均為山嶺重丘區,處于曲線上的高墩大跨連續剛構橋梁具有適應地形條件好、工程規模小、造價節約的優點，工程應用廣泛。

結合在山區橋梁上的設計經驗，通過通江河大橋的工程實踐，進一步系統總結完善了高墩大跨曲線連續剛構橋梁相關設計和施工技術，對改進橋梁設計理念、提倡橋梁創新設計意識、確保結構耐久性是有益地工程實踐。

參考文獻

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【文獻標志碼】B

【中圖分類號】U442.5+3

[作者簡介]田波(1974～),男,工程碩士,高級工程師,從事橋梁工程設計及研究工作。

[基金項目]四川省交通科技項目《雅安至瀘沽高速公路超高墩大跨預應力混凝土連續剛構橋梁設計與控制關鍵技術》子課題六，項目編號：2006A24-60，項目獲2013年四川省科技進步三等獎。

[定稿日期]2015-11-12