某尾礦庫大跨徑現澆橋設計

劉慶華

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

1 工程概述

瓦磁地2號大橋為王莊堡至繁峙高速公路上一座大型橋梁，本橋在繁峙縣瓦磁地村北跨越一尾礦庫區。橋位兩岸側壁黃土受尾礦水的浸泡，易發生崩塌、滑塌現象，根據初步設計批復意見及《繁峙縣瓦磁地永旺選礦廠尾礦庫對王繁高速公路影響安全評估報告》中提出的“基于安全考慮，建議對該尾礦庫進行閉庫處理，尾礦庫兩側坡岸橋墩應設計位于遠離尾礦庫位置，并做好橋墩的基礎及保護措施”建議，結合地形條件，橋型方案確定為（65+120+65）m預應力混凝土連續剛構，橋梁全長259 m。

2 設計技術標準

a）道路等級 雙向六車道高速公路，路基寬度33.5 m；

b）設計行車速度 100 km／h；

c）汽車荷載等級 公路-Ⅰ級；

d）橋梁所處環境類別 Ⅱ類；

e）橋面凈寬 2×15.5 m；

f）地震烈度 地震動峰值加速度為0.15g，相應于地震基本烈度為Ⅶ度。

3 工程地質條件

3.1 地形、地貌

橋址位于山前黃土丘陵區，微地貌為黃土沖溝、陡坎、斜坡，地勢起伏較大。

3.2 地層時代、成因及巖性特征

橋址地層主要由第四系全新統（Q4）填筑尾礦、上更新統（Q3）、中更新統（Q2）洪積物和上第三系上新統沖洪積物（N2）構成。

3.3 濕陷性黃土

兩側橋臺均覆蓋Q3稍密堅硬濕陷性黃土，橋址區屬于自重濕陷場地，濕陷等級為Ⅲ級，厚度為13.0～16.3 m。

3.4 尾礦

本橋跨越尾礦庫，位于尾礦壩上游約700 m，線位附近庫區水深5～7 m，寬約46 m，庫區岸邊受水沖刷坍塌嚴重，對橋墩穩定性有較大影響。

圖1 尾礦庫實貌

4 總體設計

4.1 橋型布置

根據初步設計審查意見，考慮尾礦壩水庫影響，施工圖設計階段采用上一孔跨越，庫區內無橋墩設計，最近橋墩距離庫區岸邊37 m，全橋跨徑組成為（65+120+65）m；橋梁平面位于直線段內，縱面采用0.5%單向縱坡。

4.2 結構體系

橋梁采用三跨連續剛構體系，全橋分左右兩幅，主墩墩梁固結。

4.3 上部結構

4.3.1 材料

主梁采用C50混凝土。

圖 2 橋型總體布置圖（單位：cm）（比例：1∶1 000）

4.3.2 結構尺寸

橋梁橫斷面采用上下行分離的單箱單室直腹板箱形斷面。支點處梁高7.0 m，跨中處梁高2.7 m，箱梁高度按1.8次拋物線變化。箱梁頂板寬度為16.5 m，底板寬度為8.5 m。0號塊頂板厚度為50 cm，底板厚度為100 cm，腹板厚度為80 cm；其他塊件頂板厚度為32 cm，底板厚度從根部的100 cm按1.8次拋物線變化至跨中的32 cm，1～9號塊腹板厚為80 cm，12～17號塊腹板厚為 55 cm，10號塊、11號塊為腹板厚度變化段。

全橋除在梁端、跨中兩側16′號梁段、及0號塊設置橫隔板外，其余位置均不設置橫隔板，其中0號梁段橫隔板厚180 cm，端橫梁厚150 cm，16′號梁段橫隔板厚25 cm。

主橋邊跨現澆段長3.76 m，采用支架現澆法施工；邊、中跨合攏段長度均為2 m，均采用吊籃現澆施工；其他梁段采用掛籃對稱懸臂澆筑施工。

4.3.3 預應力體系

主梁采用三向預應力混凝土結構，設縱向、橫向、豎向預應力。

縱向預應力均采用高強低松弛鋼絞線，錨具采用群錨。邊跨底板、中跨底板束采用17φs15.2、19φs15.2，設計張拉噸位分別為 329.64 t、368.42 t；合攏束采用17φs15.2，設計張拉噸位為329.64 t；腹板束采用17φs15.2，設計張拉噸位為329.64 t；頂板束采用21φs15.2鋼束，設計張拉噸位為407.20 t。縱向預應力在箱梁根部10個梁段布設腹板下彎鋼束，其余梁段布設頂板束和底板束。

豎向預應力采用JL32精軋螺紋粗鋼筋，設計張拉噸位為67.32 t，以50 cm等間距布置，每側腹板內均按雙肢配置。為方便施工豎向預應力兼做懸臂施工時掛籃的后錨點，掛籃前移后，必須對豎向預應力粗鋼筋進行二次張拉（復拉）并封錨。橫向預應力采用15-3型，縱向布置間距50 cm，預應力鋼束設計張拉控制應力為0.72fpk＝1 339.2 MPa。懸臂頂板束、腹板束及豎向預應力隨著施工階段的澆筑分批對稱張拉，邊跨底板束及頂板束在邊跨合攏后張拉，中跨底板束在中跨合攏后張拉。

4.4 下部結構

橋墩采用雙薄壁矩形墩，雙肢間凈距為4.4 m，單肢矩形墩橫橋向寬8.5 m，順橋向長1.8 m。承臺左右幅橫向連成一體，尺寸為30.7 m×20.2 m，承臺厚4.0 m。主墩基礎采用28根φ2.0 m的鉆孔灌注樁基礎。

4.5 設計特點

4.5.1 三向預應力體系

主梁采用三向預應力混凝土結構，設縱向、橫向、豎向預應力。

連續剛構橋受力較為復雜，適當地配置豎向預應力鋼束與縱向預應力鋼束配合使用，可控制箱梁的主拉應力。為確保豎向預應力鋼筋的可靠性，滿足箱梁主拉應力和抗剪的需要，對全橋腹板布置了豎向預應力鋼束。縱向預應力在箱梁頂板、底板設置永久備用孔，用于運營期間由于徐變、斷絲等影響的后期預防。箱梁預應力張拉順序建議為縱向→橫向→豎向。為避免施工干擾，保證預應力的有效傳遞，橫豎向預應力滯后于縱向預應力3個階段張拉。

4.5.2 墩梁固結處的設計

橋墩采用雙薄壁矩形墩，墩梁固結形式與主梁連接。固結處采用梁部箱體直接固結于雙柱墩頂的形式，并使雙柱軸線與固結處梁部橫隔板中心線一致，在橫隔板與頂板和底板相交處都有比較強的梗腋。雙柱墩的鋼筋直接通過橫隔板和頂板的鋼筋連在一起，既能保證錨固長度，又能做到合理布置鋼筋。這樣就可以將上部梁體的內力傳遞到墩柱上，傳力路徑簡捷，施工方便。

4.6 結構靜動力分析

4.6.1 橋梁靜力分析

a）主橋上部結構靜力計算采用不同的程序進行計算與校核，進行了成橋狀態下恒載、活載、預應力、混凝土收縮徐變、支座強迫位移、風荷載、溫度變化等作用的計算[1]，以及施工階段計算，其中施工階段計算按照施工順序及工藝，對每一施工階段按安裝掛籃、澆筑混凝土、張拉預應力、拆除、安裝下一階段掛籃等施工過程進行施工分析。荷載組合按《公路橋涵設計通用規范》規定進行組合，對結構的強度、剛度和應力進行驗算[2]。上部結構整體分析結果如下：

（a）施工階段混凝土最大壓應力為13.5 MPa，小于規范限值22.68 MPa。

（b）承載能力極限狀態正截面抗彎承載力根部截面最大彎矩為-702 486 kN·m，最小彎矩為-1 044 130 kN·m，截面抗力為 -1 363 301 kN·m；跨中截面最大彎矩為97 171 kN·m，最小彎矩為28 035 kN·m，截面抗力為 171 300 kN·m。

（c）正常使用極限狀態壓應力截面上緣儲備最小位置為主梁根部截面，最小壓應力為0.2 MPa；截面下緣儲備最小位置為跨中截面，最小壓應力為1.0 MPa。

（d）正常使用極限狀態混凝土主拉應力最不利位置為11號梁段左截面，最大主拉應力為-0.8 MPa（考慮30%的有效豎向預應力）小于1.06 MPa。

（e）正常使用極限狀態混凝土最大法向壓應力為15.6 MPa，小于規范限值16.2 MPa。

（f）正常使用極限狀態混凝土最大主壓應力為14.7 MPa，小于規范限值19.44 MPa。

從上述驗算結果可以看出，主梁各驗算截面均滿足全預應力混凝土構件設計要求。

b）箱梁橫向橋面板分別按框架和簡支板考慮固端影響兩種模式進行計算，擇其大者控制截面設計。

4.6.2 穩定分析

穩定分析考慮主梁最大懸臂狀態下和成橋狀態下的最不利工況進行分析驗算，其中最大懸臂狀態下的前3階模態分別為縱橋向失穩、主墩縱橋向失穩、橫橋向失穩，穩定系數分別為24.3、69.1、126.3；成橋狀態下的前兩階模態分別為縱橋向失穩、主墩縱橋向失穩、橫橋向失穩，穩定系數分別為25.8、58.7、156.1，橋梁穩定性驗算滿足要求。

5 施工方案設計

5.1 施工流程

橋梁上部結構采用掛籃懸臂澆筑法施工，施工流程為：

a）在主墩施工完畢后，搭設0號、1號梁段支架或托架，采用支架或托架進行梁段混凝土現澆施工，待混凝土強度達到標準強度90%且齡期7 d以上張拉縱、橫向預應力鋼束[3]。

b）在0號、1號梁段上安裝掛籃，在掛籃上澆筑2號梁段，待混凝土強度達到標準強度90%且齡期7 d以上，張拉縱、橫向預應力鋼束[3]。

c）移動掛藍，繼續澆筑3號梁段，待混凝土強度達到標準強度90%且齡期7 d以上，張拉縱、橫向預應力鋼束及0號、1號梁段豎向預應力鋼筋[3]。

d）重復 a、b、c三個步驟，直至 16 號、16′號梁段，懸臂施工時應注意掛籃對稱平衡懸臂澆筑，設計掛籃重量按71 t考慮[3]。

e）在澆筑懸臂梁段的同時，安裝橋臺處支座，利用支架澆筑邊跨現澆段。

f）利用支架澆筑邊跨合攏段，完成邊跨合攏。合攏前注意壓重20 t、安裝勁性骨架，張拉臨時合攏束，待混凝土強度達到標準強度90%且齡期7 d以上拆除壓重和勁性骨架，張拉縱、橫、豎向預應力鋼束。

g）拆除邊跨支架。

h）安裝吊架，利用吊架澆筑中跨合攏段，完成中跨合攏。同樣，合攏前注意壓重20 t、安裝勁性骨架，張拉臨時合攏束，待混凝土強度達到標準強度90%且齡期7 d以上拆除勁性骨架，張拉縱、橫、豎向預應力鋼束。

i）進行橋面系施工。

j）全橋竣工，投入運營。

5.2 主要施工保護措施

a）梁段施工時應逐塊、對稱、平衡進行懸臂澆筑施工。待澆筑梁段混凝土強度達到設計強度的90%后同時養護天數不得小于7 d方可張拉預應力鋼筋或鋼束。掛籃應在鋼束張拉完成及管道壓漿并經監理驗收后方可向前移動。移動掛籃過程中，掛籃移動不同步差不得大于半個本施工階段梁段長度。掛籃設計應有安全防護措施，防止雜物墜落傷人等意外發生。

b）懸臂澆筑過程中，在每個塊件的前端頂、底板應設置幾處觀測點，測出每個階段的標高變化情況，以控制節段的抬高量和各梁段預拱度設置。

c）在澆筑邊跨現澆段過程中，應觀測托架或支架的變形，并應采取措施（如鋼滾筒）使現澆段與懸臂端標高及軸線的偏差最小。

d）在跨中合攏段混凝土未達到設計強度的80%之前，不得在跨中范圍內堆放重物或行走施工機具。

6 后期養護

為確保橋梁處于正常使用狀態，保證行車安全、暢通，應做好橋梁日常養護工作。橋梁后期養護主要分為橋梁檢查、橋梁養護等。

6.1 橋梁檢查

可采用經常檢查和定期檢查兩種模式，經常檢查需做到每月不少于一次，定期檢查時間間隔不得超過3年。完工后首年投入使用應進行一次全面檢查。內容包括：橋面系、上部構造、下部構造檢查等。

6.2 橋梁養護

重點從橋面系、橋梁結構等方面做好養護工作。定期清掃橋面異物，保持整潔；及時修補橋梁受損結構，疏通排水構造物。加強橋梁工作狀態監測，如有異常情況，應聯系有關設計及施工單位給出合理解決方案，情況嚴重時需進行封閉式養護。

7 結論

預應力混凝土連續剛構橋目前屬于比較先進的混凝土橋梁結構，它具有跨越能力大，抗裂性和可靠性高等優點，本文所引實例正是一座典型的預應力混凝土連續剛構橋，結構采用三跨連續剛構體系，全橋分左右兩幅，主墩墩梁固結。本橋根據結構受力分析和實際地形，主梁采用了三向（縱向、橫向、豎向）預應力混凝土結構和墩梁固結的設計特點。

預應力混凝土連續剛構橋的設計是一項系統的設計工程，需要從尺寸的擬定、橋跨的布設、鋼束的布置以及下部結構形式的確定等方面進行設計，才能設計出一座安全、耐久、適用、環保、經濟和美觀的橋梁。本文通過工程實例分別從總體設計、上下部設計、橋梁結構計算分析、施工方案設計以及后期養護等方面進行了探討，以期給同類工程借鑒參考。