山區(qū)高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

張 浩, 竇 巍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

山嶺重丘區(qū)常規(guī)大跨、特大跨度橋梁設(shè)計(jì)在滿足結(jié)構(gòu)安全性及耐久性的條件下，重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)將充分利用地形條件，力求建設(shè)方案經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。堅(jiān)持靈活運(yùn)用技術(shù)指標(biāo)，減少工程建設(shè)對(duì)社會(huì)資源的浪費(fèi)。針對(duì)山嶺重丘橋位區(qū)地形復(fù)雜,山谷寬深,呈V形、U形,山坡陡峭,該類橋梁在合適的跨徑范圍內(nèi)應(yīng)重點(diǎn)考慮連續(xù)剛構(gòu)橋。

1 項(xiàng)目簡介

宜賓至昭通高速公路是四川省宜賓市至云南省昭通市的重要通道，路線全長135.4 km，牛街特大橋位于彝良縣東北部，為本項(xiàng)目的控制性節(jié)點(diǎn)之一。項(xiàng)目為雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基寬24.5 m，橫向布置為0.5 m(護(hù)欄)+11 m(行車道)+1.5 m(中央分隔帶)+11 m(行車道)+0.5 m(護(hù)欄)，地震動(dòng)加速度峰值為0.05g，設(shè)計(jì)百年一遇基本風(fēng)速為28.2 m/s。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

主橋位于分離式路基，單幅橋梁全寬12.0 m，主橋跨徑布置為(85+2×160+85) m，最大墩高為130.0 m，如圖1所示。主梁采用單箱變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主墩采用雙肢薄壁空心墩，過渡墩采用單肢薄壁空心墩，下部基礎(chǔ)采用承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)。

圖1 主橋總體布置圖(單位：cm)

2.2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁按3.0 m、3.5 m和4.0 m梁段長度分段；箱梁頂板寬12.0 m，底板寬6.5 m；中支點(diǎn)中心梁高10.0 m，跨中中心梁高4.1 m，梁高由跨中向墩頂按1.6次拋物線規(guī)律變化。箱梁跨中底板厚度為32 cm，支點(diǎn)底板厚度120 cm，底板厚度由跨中向支點(diǎn)按1.6次拋物線規(guī)律變化。箱梁腹板采用分段等厚規(guī)律變化，厚度由跨中向支點(diǎn)分別采用50 cm、70 cm、90 cm三種厚度。箱梁混凝土采用C55高強(qiáng)混凝土。

主梁采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向預(yù)應(yīng)力筋采用φs15.2-16、φs15.2-19、φs15.2-22鋼絞線，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，縱向鋼束均采用兩端張拉。頂板鋼束采用平、豎彎結(jié)合，錨固于頂板梗腋內(nèi)；腹板鋼束采用下彎，錨固于腹板內(nèi)；底板鋼束采用豎彎，部分為平彎，錨固于底板齒塊及梁端頭；合攏鋼束采用豎彎，部分為平彎，錨固于頂、底板齒塊及梁端頭。箱梁強(qiáng)度及彈模達(dá)到90%設(shè)計(jì)值時(shí)方可進(jìn)行鋼束張拉，張拉后采用真空吸漿工藝，管道壓漿應(yīng)密實(shí)。

頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋采用φs15.2-3鋼絞線，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，采用弧形扁錨，單端交錯(cuò)張拉，設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力為0.75fpk。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒及鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 420 MPa，張拉控制應(yīng)力為0.65fpk，在頂板單端張拉；豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，采用扁錨，單端張拉，設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力為0.75fpk。

通過對(duì)國內(nèi)已建成大跨度連續(xù)鋼構(gòu)橋的調(diào)查來看，后期跨中下?lián)掀毡榇嬖冢虼吮敬卧O(shè)計(jì)考慮主梁內(nèi)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力體系，成橋后僅張拉15%，后期根據(jù)需要進(jìn)行補(bǔ)張。

2.3 主墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋最大墩高130 m，本次設(shè)計(jì)主墩采用雙肢薄壁空心墩，順橋向雙肢中心間距8.5 m，單肢墩頂順橋向?qū)?.5 m，橫橋向?qū)?.5 m。橋墩順橋向和橫橋向壁厚均為80 cm，單肢內(nèi)部每隔20～25 m設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚度50 cm。兩薄壁墩之間設(shè)置橫系梁，橫系梁間距為40～45 m，橫系梁高3.0 m，壁厚0.5 m。主墩采用C55混凝土。

主墩承臺(tái)順橋向?qū)?9.5 m，橫橋向?qū)?1.5 m,高5.0 m，承臺(tái)下設(shè)置15根直徑2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主墩承臺(tái)采用C30混凝土，主墩樁基采用C30水下混凝土。

3 主橋結(jié)構(gòu)分析

3.1 主要計(jì)算方法、參數(shù)和假定

主橋箱梁及橋墩均采用C55高強(qiáng)混凝土，技術(shù)參數(shù)按相關(guān)規(guī)范計(jì)取。構(gòu)件采用空間梁單元。

在全橋總體結(jié)構(gòu)分析中考慮恒載、活荷載、基礎(chǔ)沉降、溫度荷載、風(fēng)荷載、施工臨時(shí)荷載等作用下產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。根據(jù)施工步驟進(jìn)行施工及運(yùn)營階段模擬分析，按相關(guān)規(guī)范要求對(duì)施工階段及成橋階段進(jìn)行各種荷載組合計(jì)算。對(duì)于箱梁橋面板、端橫梁、中橫梁進(jìn)行橫向加載進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

3.2 主要計(jì)算結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)剛度

結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算如圖2所示，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

圖2 主梁豎向撓度(汽車活載不計(jì)沖擊力)

3.2.2 主要結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果

主梁持久狀況短期效應(yīng)主梁正截面上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力；斜截面最大主拉應(yīng)力為0.9 MPa；計(jì)算結(jié)果表明，施工及成橋階段主梁強(qiáng)度、抗裂性能、撓度等均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

本橋最高橋墩130 m，高墩導(dǎo)致整體屈曲穩(wěn)定性和薄壁局部屈曲穩(wěn)定性以及高墩低頻風(fēng)振對(duì)施工、運(yùn)營階段安全性影響等問題突出，在結(jié)構(gòu)最大懸臂階段，考慮風(fēng)荷載、掛籃、自重荷載作為屈曲荷載。

最大雙懸臂施工階段前三階穩(wěn)定系數(shù)見表1。

表1 最大雙懸臂施工階段前三階穩(wěn)定系數(shù)

最大單懸臂施工階段前三階穩(wěn)定系數(shù)見表2。

表2 最大單懸臂施工階段前三階穩(wěn)定系數(shù)

最大單懸臂施工階段典型失穩(wěn)模態(tài)如圖3所示。

圖3 最大單懸臂施工階段典型失穩(wěn)模態(tài)

運(yùn)營階段考慮風(fēng)荷載、二期、自重荷載、高墩最不利活載作為屈曲荷載。運(yùn)營階段前三階穩(wěn)定系數(shù)見表3。

表3 運(yùn)營階段前三階穩(wěn)定系數(shù)

最大雙懸臂施工階段、最大單懸臂施工階段及運(yùn)營階段，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)均大于4，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

山嶺重丘橋位區(qū)地形復(fù)雜，橋面與溝底高差達(dá)百米之余，該類型橋梁在合適的跨徑范圍內(nèi)應(yīng)重點(diǎn)考慮連續(xù)剛構(gòu)橋型。本文以宜賓至昭通高速公路牛街特大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，主要研究內(nèi)容包括總體設(shè)計(jì)、主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主橋結(jié)構(gòu)分析。研究結(jié)論可供同類型橋梁結(jié)構(gòu)研究比選。