鯉魚塘水庫排沙放空洞交通橋下部結構設計

翟 曉 斌

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙　410014；2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌　443002)

鯉魚塘水庫排沙放空洞交通橋下部結構設計

翟 曉 斌1、2

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙410014；2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌443002)

摘要：鯉魚塘水庫排沙放空洞交通橋橋墩置于軟巖上，墩身高達22.051 m，承受較大的橫向力。經選用實體式橋墩并對其基礎及巖基采用錨筋、錨索、網格梁等加固型式進行處理后完建，通過八年多時間的安全運行，證明以上措施較好地解決了工程難題。

關鍵詞：交通橋；橋梁基礎；結構設計；鯉魚塘水庫

1工程概述

鯉魚塘水庫為重慶市開縣境內的Ⅱ等大(2)型工程，水庫正常蓄水位高程450 m，總 庫 容 為

1.034 5億m3，首部樞紐混凝土面板堆石壩最大壩高103.8 m，采用右岸岸邊開敞式溢洪道、左岸排沙放空洞、左岸引水隧洞和岸邊地面廠房的總體布置方案。該水庫排沙放空洞與引水隧洞并行布置在左岸，兩洞進口設置成“雙塔”型式，排沙放空洞頂部進口檢修塔頂設有交通橋與左岸上壩公路相連，該交通橋也是左岸引水隧洞頂部通往壩址左岸的唯一通道。

該橋橋址位于排沙放空洞進口左岸邊坡，自然坡角45°，基巖裸露，巖性組合為砂巖、粉砂巖、泥巖互層結構，泥巖巖性軟弱，泡水易軟化。橋墩基礎地基允許承載力為1.5～3 MPa。區域地質構造相對穩定，地震基本烈度小于Ⅵ度，按Ⅵ度設防。

橋式結構為(2×20)m連續橋面簡支梁，全長40 m，立面結構見圖1。橋梁采用20 m裝配式鋼筋混凝土T形梁，橋梁凈寬度為4 m，設計荷載為汽車—15級、掛車—80[1]；在墩頂及臺頂每梁梁端各設200 mm×300 mm×49 mm板式橡膠支座1個，全橋共設8個。

橋梁的下部結構采用C20鋼筋混凝土實體墩；岸邊橋臺采用U形重力式橋臺，橋臺材料為C15埋石混凝土，橋臺基礎尺寸為6.6 m×7.905 m×9.3 m(順橋向×橫橋向×高度)。

當地七月份平均氣溫為30 ℃，極端最高氣溫為42 ℃，一月份平均氣溫為5 ℃。要求簡支梁安裝及橋面連續施工的溫度為15 ℃～25 ℃，伸縮縫安裝溫度為15 ℃～25 ℃。

橋墩與橋臺均為明挖基礎。鑒于橋臺型式較為常見，故不再贅述，筆者主要介紹該橋的橋墩、基礎及附屬設施的設計。

2下部結構設計

2.1橋墩結構型式

考慮到該橋墩位于深水庫(庫水深為90 m)中且處于泄水建筑物進口附近，水流波動較大，故橋墩采用圓端形實體重力墩，橋墩側坡坡比為59.86∶1，墩身壁厚1.1～1.8 m，寬3.3～4 m，高22.051 m。墩頂設墩帽，墩帽尺寸為1.2 m×4.4 m×1.4 m(順橋向×橫橋向×高)，墩帽頂設外露式墊石以放置橡膠支座，兩側矩形端頭高出墩帽頂0.3 m做防震擋板。

2.2橋墩設計要點

2.2.1制動力取值

根據相關規范規定，當橋涵為一或二車道時，汽車荷載產生的制動力為布置在荷載長度范圍內一行汽車車隊總重力的10%，但不小于一輛重車的30%[2]、[3]。對于所選定的汽車荷載，在40 m范圍內，全橋可布置一輛200 kN的加重車和兩輛150 kN的標準車[1]、[3](圖2)，根據比較，將制動力取為60 kN。制動力按墩臺及支座頂部集成剛度進行分配[3]，兩側橋臺各為20.16 kN，橋墩為19.67 kN。

2.2.2荷載計算分析

對于該工程，橋梁承受的荷載主要有縱向水平力、風壓力(含橫橋向和縱橋向)、浪壓力、豎向力四類,其中后三類荷載需考慮蓄水前后兩種情況。

圖1　橋式立面結構圖(上游視 單位：mm)

圖2　汽車-15級荷載縱向分布圖(單位：m)

縱向水平力主要有溫度影響力、混凝土收縮影響力及制動力等。其中溫度影響力為溫度變化(溫升或溫降)對結構的影響，該工程考慮溫降20 ℃與溫升27 ℃。按規范[4]要求，簡支梁結構不計混凝土收縮影響力。但該工程因采用現澆結構，落梁之前混凝土干縮尚不充分，故按溫降10 ℃考慮混凝土收縮效應[3]。對縱向水平力進行組合分析后得知：橋墩頂支座最大剪切變形正切值為0.08，小于橡膠支座允許剪切角正切值0.7，滿足規范要求[4]。

根據規范規定，橫橋向風力按作用于欄桿、T梁及橋墩上考慮，縱橋向風力不計橋面結構及上承式梁所受的風荷載，橋墩上的縱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[2]。風荷載計算成果見表1。

表1　風荷載計算成果表

蓄水運行工況，考慮橋墩長邊方向浪壓力作用，經計算得知，作用在橋墩上的浪壓力為149.58 kN，對墩身底彎矩為2 915.23 kN·m。

豎向力包括每個橋墩承受的恒載(結構重力)、汽車-15級荷載(計沖擊力)、人群荷載、掛車-80荷載等。使墩身縱橋向受到最大偏心彎矩的汽車-15級的布置情況見圖2，橋橫向布置一列車。對豎向力進行組合分析得知，支座承受的最大壓應力為9.41 MPa，小于橡膠平均容許壓應力10 MPa，滿足規范要求[4]。

2.2.3荷載組合分析

根據以上荷載分析得知，該工程荷載組合分為縱橋向與橫橋向兩類，縱橋向有4種荷載組合，詳見表2；橫橋向只有一種荷載組合，即恒載+汽車橫向偏心+橫向風力組合。

對于各方向荷載組合，考慮縱、橫向風力不同時計入，初步形成以下4種不利組合：

表2　縱橋向荷載組合分析表

注：(1)掛車不計制動力，且不考慮與溫度變化影響力等非經常性外力作用組合，不為控制組合，不作組合計算；

(2)[(溫降+混凝土收縮)影響力+制動力]較之[溫升影響力+制動力]為大，后者不作組合計算。

(1)組合1，蓄水前工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動力)+縱向風力荷載組合；

(2)組合2，蓄水前工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動力)+橫向風力荷載組合；

(3)組合3，蓄水運行工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動力)+縱向風力、浪壓力荷載組合；

(4)組合4，蓄水運行工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動力)+橫向風力荷載組合。

以上4種組合的墩底截面外力計算成果見表3。

表3　墩底截面外力計算成果表

經比較，以組合3為主控制設計，其結構設計中應首先計算組合3，再對組合2加以驗算。

2.2.4橋墩的縱橫向偏心距增大系數η

根據規范要求[4]，在計算偏心受壓構件時，對于長細比l0/i>17.5的構件，需考慮偏心距增大系數η。η與構件計算長度l0有關。而要確定偏心距增大系數，需先確定構件計算長度l0。對于縱橋向，其橋墩底端固結于基礎頂，上端受橡膠支座和相鄰各孔墩臺及其支座的彈性約束，l0按剛度集成方法[4]計算為34.82 m；對于橫橋向，由于相鄰各孔墩臺及其支座的彈性約束較弱，出于偏安全考慮，按一端固定，一端自由考慮，取l0=2l=44.102 m。

經計算，對于該橋，橫橋向長細比為45>

17.5，需考慮偏心距增大系數；而縱橋向一般均須考慮偏心距增大系數。縱橫向偏心距增大系數按文中“2.2.3”節荷載組合情況分別進行計算。

2.2.5墩身配筋設計

橋墩截面按雙向偏心受壓構件采用式(1)進行驗算[4]。

(1)

式中Nj為軸向力設計值；Nux為按軸向力及彎矩作用于x軸方向、考慮偏心距增大系數ηx后截面偏心受壓承載力設計值按一般單向偏心受壓構件計算；Nuy為按軸向力及彎矩作用于y軸方向、考慮偏心距增大系數ηy后截面偏心抗壓能力，按一般單向偏心受壓構件計算；Nuo為截面軸心抗壓承載力設計值，但不考慮縱向彎曲系數φ。

根據上述分析，將有關數值代入式(1)，經計算并考慮結構斷面構造要求[4]，墩身主筋選用56φ28(Ⅱ級鋼筋)。

最后尚需對墩身進行施工工況驗算[2]。此時在考慮上部結構單向偏心加載時，僅計及上部結構自重和順橋向風力，按順橋向單向偏心受壓計算，單孔上部結構自重僅計及梁體預制及現澆混凝土、橋面鋪裝混凝土，經驗算，結構安全。

2.3橋墩基礎處理

C20實體混凝土墩基礎置于左岸擴挖邊坡上，基礎尺寸為5.65 m×5.6 m×8.5 m(順橋向×橫橋向×高)，基礎底部高程為421.5 m。由于該橋墩基礎基巖巖性組合中泥巖占52%，其開挖暴露在空氣中后經冷熱及干濕循環極易崩解，強度迅速降低，故橋墩基礎巖基開挖到位后應立即進行封閉，同時迅速采用錨索、網格梁、錨筋等構造措施將橋墩基礎及其附近巖坡進行加固處理，將基礎與地基連成一體、共同承力，以確保基礎安全，具體作法為：

(1)在橋墩基礎與巖石交接部位設錨筋與錨索。錨筋采用φ25、設6排、共12根，錨筋孔深5 m，錨索采用1 000 kN粘結式預應力錨索，設2排、共4根，每排深入基巖深度分別為25 m、35 m；

(2)橋墩基礎下部開挖邊坡設網格梁、錨索與錨筋。在高程419 m邊坡處設置8 m長C30混凝土網格梁一道，內設2根1 000 kN錨索，深入基巖30 m；網格梁內上下側另各設1排、共8根φ25錨筋，孔深2.5 m。此外，在網格梁外上、下高程417.5 m和420.5 m邊坡處各設1排、共8根φ32錨筋，間距3 m，孔深8.7 m。

3結語

排沙放空洞交通橋下部結構于2007年4月6日開始澆筑，6月27日完成澆筑，8月底水庫開始蓄水，蓄水過程中的交通橋形象見圖3、4。目前，該工程已安全運行近9年，實際情況證明該橋下部結構的設計是較為成功的。

圖3　工程蓄水至高程391 m時的交通橋

圖4　工程蓄水至高程442 m時的交通橋

排沙放空洞交通橋作為鯉魚塘水庫“雙塔”運行、檢修的要道，設計人員對其下部結構在結構型式、受力及整體構造要求上都進行了嚴密的思考與分析，最終形成了一個安全適用、結構合理、型式美觀的設計方案并予以實施，取得了較好的效果，從而為軟巖地區水庫的橋梁下部結構設計提供了新思路。

參考文獻：

[1]GBJ22—87, 廠礦道路設計規范[S].

[2]JTG D60—2004, 公路橋涵設計通用規范[S].

[3]袁倫一. 連續橋面簡支梁橋墩臺計算實例(修訂版)[M].北京：人民交通出版社, 1998.

[4]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

收稿日期:2015-12-12

中圖分類號:[TU997];TV7;TV222

文獻標識碼:B

文章編號:1001-2184(2016)03-0073-04

作者簡介:

翟曉斌(1980-)，男，河南鞏義人，副主任工程師，高級工程師，學士，從事水工結構設計工作.

(責任編輯：李燕輝)