矮腿Y形墩曲線連續剛構橋設計與施工

Y形墩連續剛構一般用于墩柱較高的工程，以降低結構因整體升降溫及收縮徐變引起的次內力。本文依托背景工程，通過合理考慮橋梁基礎的支撐剛度，解決了非軟土地區矮腿Y形墩連續剛構的受力難題。同時研究了其施工方法，將國內類似工程常采用的掛籃或者支架小節段澆筑，調整為長節段支架法現澆，全橋梁段共分成三期澆筑，減少了工序，顯著縮短了工期。

1 工程概況

鄭州市鄭東新區龍湖29#橋上跨東運河，設計方案采用了具有較強現代感和科技感的造型。見圖1。

圖1 橋梁效果

29#橋全長132.2 m，道路中心線位于半徑850 m的平曲線上，雙向六車道，設計車速50 km/h。主體結構采用曲線預應力混凝土Y形墩變截面連續剛構，跨徑布置為35 m+58 m+35 m，道路中心線與墩位線正交。見圖2。

圖2 橋梁布置

橋梁全寬40 m，分為左右兩幅，兩幅橋之間翼緣板設置1 m寬的后澆帶。橋面的橫坡為雙向1.5%，通過箱梁腹板變高實現，箱梁底在橫橋向為平坡。中跨跨中梁高為1.7 m，高跨比為1/34.1；中墩斜腿根部的梁高為2.6 m，高跨比為1/22.3，邊跨橋臺附近梁高與中跨跨中一致，亦為1.7 m。邊跨及中跨的梁高漸變段均按圓弧線變化。

每幅橋箱梁采用單箱四室斜腹板截面。人行道側翼緣板懸臂長度為2.0 m，懸臂板端部厚度0.15 m，根部厚度0.45 m；車行道側翼緣板懸臂長2.0 m，為加強后澆帶，板厚適當加大，懸臂板端部厚度為0.25 m，根部厚度為0.45 m。邊腹板斜度為1∶3.5。箱梁頂板厚0.25 m，底板厚0.25～0.5 m，腹板厚0.5～0.7 m。斜腿頂部位置的箱梁橫梁厚2.6 m，橋臺處邊橫梁厚1.5 m，中跨跨中設置一道0.3 m厚的橫隔板。見圖3。

圖3 橋梁中墩斷面布置

Y形墩柱由斜腿和墩座兩部分構成，總高度為7.4 m。斜腿為變厚度的實心矩形斷面，其橫橋向的寬度變化與主梁外腹板斜度基本一致；為保證受力平順及景觀效果，與主梁交接處，斜腿外側按8 m半徑倒圓，內側按0.5 m半徑倒圓。為加強與主梁的連接并防止斜腿開裂，在斜腿中心線位置布置預應力鋼束，鋼束固定端置于Y形墩柱的墩座內，張拉端則位于主梁中橫梁順橋向的倒角處。Y形墩柱的墩座部分采用矩形片墩，順橋向厚度為2.4 m，橫橋向寬度變化與斜腿一致，均與主梁外腹板斜度基本相同；墩座與斜腿之間內側按2 m半徑倒圓，外側按3 m半徑倒圓。根據工程范圍內的地質情況，單幅橋中墩采用12?1.2 m的樁，順橋向兩排，按摩擦樁設計，樁長63 m。

2 主要特點及關鍵技術

2.1 矮腿剛構群樁基礎的模擬方法

本橋Y形墩高僅7.4 m，墩柱高跨比為1/7.8，屬于典型的矮腿剛構橋[1]，Y形墩抗推剛度較大，對上部結構自由變形的約束較大，升降溫及混凝土收縮徐變對結構整體受力影響明顯。

群樁基礎作為下部結構中與土相接觸最主要部位，分析較為復雜，常規橋梁初步計算中一般將承臺底作為固結支撐處理。本橋因Y形墩柱較矮，承臺底若采用固結處理，在整體升降溫及混凝土收縮徐變作用下會導致斜腿、墩座及主梁等構件產生較大的拉壓應力，其效應超過了恒載及汽車荷載[2]，難以滿足規范要求，因此有必要將群樁基礎作為彈性支撐精確考慮。

群樁基礎彈性支撐的模擬方法有多種，比如原始模型、等代門形剛架模型、等代單柱式模型、截樁法等[3]。設計采用了含耦合項的群樁基礎支撐剛度矩陣，其思路是建立承臺底面以上部分的結構模型，求出群樁基礎各方向及相互耦合后的支撐剛度系數，組成一個空間支撐剛度矩陣作為承臺底的彈性支撐，求解后直接提取承臺底的反力進行樁基礎的驗算。

墩土層從上往下依次為粉土、粉質黏土、粉砂及中砂層，地基土比例系數m取值較難確定。根據JTGD 63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》，初定m值為8 000～20 000 kN/m4；從安全性的角度考慮，對上述范圍進行了擴展，將m分別取值為5 000、8000、20000、30 000 kN/m4進行結構驗算，結果見表1。標準組合為1.0恒載+1.0整體降溫+1.0汽車荷載。

表1 下部結構對上部結構的支撐反力

從表1可以看出：

1）承臺底固結條件下，水平反力及彎矩均最大，據此驗算下部結構，計算難以通過；

2）對于本橋，恒載與整體降溫引起的水平反力、彎矩均為同一方向；

3）彎矩較大，與水平反力對下部結構的效應疊加而非抵消，有必要通過調偏心降低彎矩反力[4]。

Y形墩豎向中心線與分跨線重合，將承臺及樁基礎中心順橋向往中跨跨中方向調0.3 m的偏心后，結構支撐反力中的彎矩計算結果見表2。

表2 調偏心后的彎矩

從表1和表2可以看出，調偏心對減小結構所受彎矩有明顯作用。

2.2 m的實測結果

本橋屬于有推力結構，m值是設計的關鍵參數；按m值5 000、8 000、20 000、30 000 kN/m4對群樁基礎的彈性支撐剛度做包絡計算；考慮到其不確定性較大，有必要進行單樁的水平靜載試驗[5]。在中墩承臺外側布置了1根同直徑的試樁并采用中墩群樁基礎作為樁基水平荷載試驗的反力墻，進行單樁水平荷載試驗，見圖4。

圖4 單樁水平荷載-位移曲線

根據JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》，可求得不同水平荷載下的m值，見表3。

表3 m實測推導值

從圖4和表3可以看出，本次試驗單樁水平靜載最大加載量為1 045 kN，樁頂最大水平位移為39.80 mm；水平力為665 kN時，m值為9839 kN/m4。從表1可以看出，理論上m值為8 000 kN/m4時，標準組合下最大水平反力為7 766 kN，若均勻分配到12根樁，則單樁理論水平反力為647 kN；理論m值與實測結果吻合較好，但水平位移實測結果比理論值偏大。

2.3 長節段支架現澆施工及對應配束方法

Y形墩連續剛構的施工方法較多，比較典型的有掛籃逐節段懸臂澆筑、滿堂支架短節段澆筑、滿堂支架一次澆筑等。本橋工期較緊，施工現場具備搭設滿堂支架的條件，故設計采用了長節段支架現澆施工，主要施工流程見圖5。

圖5 主要施工流程

主梁采用分段澆筑施工，分為0#塊（即一期澆筑梁段），二期澆筑梁段，中跨合龍段（即三期澆筑梁段）。其設計思路是：先形成Y形墩柱與主梁0#塊構成的三角形穩定剛架結構；然后在支架上施工二期梁段（大節段）；最后澆筑2 m的中跨合龍段，張拉中跨合龍鋼束，全橋結構形成。為了降低收縮徐變影響，改善結構受力，中跨合龍時對兩懸臂端進行了對頂，對頂力為1 500 kN。

主梁按預應力混凝土A類構件設計，僅布置縱向預應力束，縱向預應力束分為0#塊鋼束、二期梁段頂板束、二期梁段腹板束、中跨合龍頂板束及中跨合龍底板束，鋼束共采用15-15、15-12及15-9三種規格，見圖6。

圖6 縱向鋼束配置

2.4 Y形墩柱斜腿與主梁0#塊組成的三角架施工

Y形墩柱的斜腿部分與主梁0#塊（即一期梁段）組成的三角架受力復雜，混凝土體量大，是本橋施工的關鍵步驟。見圖7。

考慮到Y形墩線形較為復雜，施工中采用了整體式鋼模板，確保了外觀質量。Y形墩柱施工分為3個階段：第1階段施工墩座；第2階段施工斜腿；第3階段施工主梁0#塊。第2階段施工中在兩斜腿之間豎向設置了3道精軋螺紋剛水平拉桿以抵抗施工過程中斜腿的水平位移。

圖7 斜腿與主梁0#塊組成的三角架施工

3 結語

本橋為典型的矮腿Y形墩連續剛構橋，所處地區也并非軟土地區，結構設計存在一定難度。設計中考慮了群樁基礎的彈性支撐剛度，通過水平荷載試驗驗證了地基土水平比例系數m取值的正確性及樁基礎抵抗水平荷載的能力；采取下部結構調偏心、跨中合龍前對頂梁段對方法改善了結構受力。施工中采用長節段支架現澆施工，受力明確且工期較短，比逐節段懸澆法節省工期約3月。