長聯(lián)多跨不對稱剛構(gòu)-連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)設(shè)計

宋曉東,邱曉為,謝 華,郭建勛

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都 610031； 2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司, 成都 610031)

1 工程概況

毛坪大渡河雙線特大橋橋址位于四川省樂山市峨邊縣毛坪鎮(zhèn)境內(nèi)，跨越大渡河，于DK194+950處跨越既有成昆鐵路隧道，于DK195+020.82～DK195+391.968跨越大渡河龔嘴水庫庫區(qū)，該橋橋位距離下游龔嘴電站壩址約11 km，其航道等級為VII級航道，于DK195+402處跨一條寬約7 m的峨珍公路縣道，并跨既有成昆鐵路隧道。主橋為全線聯(lián)長最長的剛構(gòu)-連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，以多跨非對稱布置(72+3×128+96+52) m，是成昆鐵路的重要組成部分。

橋梁位于直線上，其采用有砟軌道結(jié)構(gòu)，設(shè)計活載為“中-活載”，線路等級為Ⅰ級，客貨共線鐵路線間距4.2 m，設(shè)計速度為160 km/h。

鋼軌的伸縮主要是由溫度變化引起的，故長聯(lián)多跨橋上無縫線路將產(chǎn)生相當(dāng)大的鋼軌縱向力及位移，軌枕與道床之間的相對位移過大會破壞軌道的穩(wěn)定性[1-3]。為了保證鋼軌導(dǎo)向正確和支撐，維持線路的通順，該橋在兩端共設(shè)置了4套單向溫度伸縮調(diào)節(jié)器。

測區(qū)屬大渡河寬緩峽谷地貌，地面高程505～575 m，相對高差10～70 m，自然坡度15°～35°，水流緩慢，沉積砂層較厚。橋址內(nèi)巖層為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀N34～65°E/19～26°NW，陡傾節(jié)理發(fā)育，主要有N5°E/90°及N85°W/90°，未見斷層及褶皺構(gòu)造，測區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.4 s。本橋系地形(跨河、水文、立交)控制設(shè)計，水文三要素：Q1/100=10 700 m3/s，H1%=533.57 m，V=1.74 m/s。橋址范圍大渡河河床中砂層及粗圓礫土厚度較大，大渡河小里程端斜坡覆蓋層較薄，大里程端較厚，水質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)無侵蝕性。不良地質(zhì)為巖溶、巖堆水庫坍岸，砂土液化。

2 主橋設(shè)計

2.1 橋跨方案研究

結(jié)合地形、航道位置、道路位置、地質(zhì)條件及水深情況，同時充分考慮墩臺距離既有鐵路隧道的施工安全距離，設(shè)計初步擬定孔跨布置為32 m+(48+5×80+48) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁+3-32 m簡支梁橋，如圖1所示，其中橋墩形式為單柱式墩。后深化設(shè)計階段，考慮到庫區(qū)橋位處水深且地質(zhì)條件差，覆蓋沙層平均厚約20 m(最深達(dá)41 m)，為了減少水中基礎(chǔ)數(shù)量降低投資，同時改善跨越道路處的預(yù)留條件，擬定全橋為一聯(lián)連續(xù)結(jié)構(gòu)，即孔跨布置為(72+3×128+96+52) m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 主橋孔跨布置初步設(shè)計方案(單位：cm)

圖2 主橋孔跨布置最終設(shè)計方案(單位：cm)

剛構(gòu)-連續(xù)組合體系梁橋是連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋兩者的結(jié)合，它兼顧了兩者的優(yōu)點而且揚棄各自的缺點，在結(jié)構(gòu)受力、使用功能和適應(yīng)環(huán)境等方面均具有一定的優(yōu)越性[4-7]。一方面，這種組合橋可以較大地改善因多跨連續(xù)所引起的結(jié)構(gòu)溫度力和收縮徐變影響力，使下部結(jié)構(gòu)墩柱基礎(chǔ)設(shè)計變得簡單，降低工程造價；另一方面，對于大跨多孔長聯(lián)連續(xù)梁，由于增加剛構(gòu)固結(jié)墩的設(shè)置，使得原來設(shè)置固定支座的橋墩受力更加合理，梁墩共同受力，減少了大型固定支座的設(shè)置[8]。

橋梁設(shè)計講究因地制宜，采用全橋一聯(lián)剛構(gòu)-連續(xù)組合結(jié)構(gòu)方案具有以下優(yōu)點。

(1)結(jié)構(gòu)受力更合理、整體景觀效果好。由于聯(lián)長較長，水中墩高較高，而1號、5號墩較矮，剛度差較大，因此2號、3號、4號采用薄壁墩與梁固結(jié)，1號、5號墩采用活動支座，改善梁部在溫度作用下及混凝土收縮徐變引起的受力，同時全橋為拉通連續(xù)結(jié)構(gòu)，整體景觀效果好。

(2)可以作為隧道運渣通道使用，節(jié)約投資，縮短站場填方施工工期。該橋小里程側(cè)接板栗坡隧道(全長5 295 m)，大里程側(cè)接毛坪車站，主體結(jié)構(gòu)完工前，板栗坡隧道棄渣通過拉通棧橋運至毛坪車站填方利用，由于地形陡峻及高程差的原因，運輸距離遠(yuǎn)且便道條件差。而大里程側(cè)以連續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，待主體完成后，即可作為隧道棄渣和車站填料的運輸通道，節(jié)約投資，提高車站填方施工速度。

(3)為縣級道路未來的升級改造預(yù)留更好條件。縣級道路靠山側(cè)較為陡峻，引橋孔跨調(diào)整后，橋墩距離道路邊坡較遠(yuǎn)，施工對道路運營影響小，同時跨度加大為道路未來的升級改造預(yù)留更好條件。

2.2 梁部構(gòu)造

梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁，梁體全長605.5 m，其控制截面如圖3所示。72 m邊跨端部13.75 m梁段、中跨中部10 m梁段、52 m邊跨端部25.75 m梁段為等高梁段，梁高5.4 m；主跨128 m中墩處梁高為9.8 m，主跨96 m中墩處梁高為7.5 m，其余梁段梁底下緣曲線為二次拋物線，128 m跨拋物線方程:y=5.4+x2/675.06(x=0～54.5 m)，96 m跨拋物線方程:y=5.4+x2/274.3(x=0～24 m)。

圖3 梁體典型截面(單位：cm)

箱梁一般斷面頂板寬11.8 m，箱寬7 m，箱梁頂板厚0.5 cm，邊跨梁端頂板板厚0.5～0.8 m；邊跨端部、中支座兩側(cè)底板厚0.48～1.0 m，其余底板厚0.48 m；邊跨端部、中支座兩側(cè)腹板厚0.5～0.9 m，其余腹板厚0.5 m；一般斷面懸臂板厚0.3～0.85 m。有接觸網(wǎng)立柱處箱梁頂板寬13.2 m，懸臂板厚0.65～0.85 m。

梁體采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，預(yù)應(yīng)力數(shù)量和布筋位置需要同時考慮結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)、施工方法和施工階段受力狀態(tài)等[9-10]。通過綜合計算分析，梁體主跨128 m T構(gòu)縱向鋼束采用17φ15.2 mm和主跨96 m T構(gòu)縱向鋼束采用15φ15.2 mm高強度低松弛鋼絞線；梁體腹板豎向預(yù)應(yīng)力采用公稱直徑32 mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋，在腹板內(nèi)雙排布置；梁體橫向頂板束采用4φ15.2 mm高強度低松弛鋼絞線。

2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究表明[11]：雙薄壁墩是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中理想的柔性墩，該型式橋墩已廣泛應(yīng)用于連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋，如我國首座連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋東明黃河大橋[12-13]、杭州繞城公路東段錢江六橋[14]、遂渝鐵路新北碚嘉陵江大橋[15]等。針對本橋設(shè)計最終案例(圖2)，1號、5號橋墩墩高較矮，設(shè)置為鋼筋混凝土圓端形墩，墩高分別為22.5，11.5 m，樁基采用12根φ2.0 m、15根φ1.5 m的鉆孔樁基礎(chǔ)，樁長15～37 m。2號、3號、4號橋墩為鋼筋混凝土雙薄壁圓端形墩，詳見圖4。墩高均為46 m，樁基均采用15根樁徑2.5 m的鉆孔樁基礎(chǔ)，樁長28～66 m。

圖4 主墩構(gòu)造(單位：cm)

3 結(jié)構(gòu)分析

采用MIDAS Civil軟件建立全橋模型進行結(jié)構(gòu)分析，共有242個節(jié)點，247個梁單元，如圖5所示。該橋梁縱漂、一階豎彎、橫彎的頻率分別為0.354,0.537,0.590 Hz。主墩采用墩高46 m雙薄壁橋墩與梁體固結(jié)形成剛構(gòu)-連續(xù)梁體系，結(jié)構(gòu)相對較柔，且為有砟橋面，日照溫差及系統(tǒng)溫差效應(yīng)對梁部正應(yīng)力影響較小。河床細(xì)沙覆蓋層較厚，平均厚度在20 m左右，地基承載力為0.08 MPa，因此樁基設(shè)計考慮15 m自由樁長。全橋為多次超靜定整體結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)均按柱樁設(shè)計，減少基礎(chǔ)不均勻沉降對結(jié)構(gòu)的影響，考慮樁基礎(chǔ)施工清底及各墩位處豎向力差別較大，結(jié)構(gòu)整體計算考慮10 mm非均勻沉降。本橋為非對稱布跨，跨度越大，同等沉降量時，沉降對梁部應(yīng)力影響效應(yīng)越小，小跨52 m主墩沉降對本橋影響最大，沉降單項影響梁部應(yīng)力最大0.89 MPa。

圖5 全橋模型

通過無預(yù)應(yīng)力效應(yīng)工況分析：恒載工況對結(jié)構(gòu)尺寸、梁體應(yīng)力狀態(tài)、鋼束配置影響較大，恒載效應(yīng)占比在80%左右；在中-活載作用下，邊跨最大撓度16.04 mm，小于L/900=80 mm，中跨最大撓度50.2 mm，小于L/800=160 mm，滿足規(guī)范[16]要求，結(jié)構(gòu)具有足夠的強度；靜活載作用下梁端最大轉(zhuǎn)角為0.77‰<3‰；各項強度安全系數(shù)均大于2.2，抗裂安全系數(shù)大于1.46[17]。

4 主橋施工順序

施工控制內(nèi)容一般包括結(jié)構(gòu)線形控制和結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制兩方面，每座橋合龍工藝不完全相同，應(yīng)在施工安全性能和方便性基礎(chǔ)上，按實際的合龍工藝進行計算[18-19]。本橋1號、5號橋墩設(shè)置活動支座，0號節(jié)段澆筑時需同時澆筑墩頂臨時支墩，2號、3號、4號橋墩為墩梁固結(jié)的剛構(gòu)形式，全橋共形成5個T構(gòu)，經(jīng)過3次體系轉(zhuǎn)換后形成全橋，1號、2號、3號、4號墩T構(gòu)均為16個懸灌節(jié)段，5號墩T構(gòu)僅7個懸灌節(jié)段，為了合龍段同步，前面施工到10節(jié)段時，5號墩T構(gòu)施工1號節(jié)段。

2號、3號、4號橋墩為剛構(gòu)墩，梁體收縮徐變對墩身會產(chǎn)生很大的內(nèi)力，因此中間兩個合龍段施工前，先同時施加頂推力以改善橋墩受力，因此本橋選擇從中間向兩側(cè)對稱合龍的順序進行6個合龍段的施工，完成全橋體系轉(zhuǎn)換。

5 設(shè)計需要注意的問題

(1)梁部前4個T構(gòu)有16個懸灌節(jié)段，第5個T構(gòu)僅7個懸灌節(jié)段，96 m側(cè)邊主跨合龍段偏離結(jié)構(gòu)中心較遠(yuǎn)，因此，底板鋼束全部要偏心布置，合龍段處彎矩已經(jīng)不只是正彎矩，變?yōu)檎⒇?fù)彎矩變化過渡段，頂板鋼束不能按照常規(guī)形式布置。

(2)非對稱布跨，小主跨96 m主跨懸灌節(jié)段數(shù)少，底板彎矩較大，鋼束布置空間受限，0號段兩側(cè)一定范圍內(nèi)底板應(yīng)力儲備相對較小。

(3)大跨長聯(lián)梁體和橋墩固結(jié)數(shù)量影響梁體伸縮量，梁體收縮徐變變形量和降溫變形量疊加，導(dǎo)致梁體水平位移變化較大，影響伸縮裝置的設(shè)計[20]。

(4)大跨長聯(lián)制動力分配問題，按3個剛構(gòu)墩共同承受全聯(lián)制動力的100%考慮，其余墩臺按承受全聯(lián)制動力的25%或支座摩阻力取大值。

(5)大跨長聯(lián)支座摩阻對預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響，對梁體張拉預(yù)應(yīng)力時，梁體不能自由變形，施加到梁體內(nèi)的預(yù)加力效應(yīng)，一部分會被支座摩阻抵消。

(6)為了降低合龍溫差和長期收縮徐變引起的墩頂位移和墩柱內(nèi)力的增量，根據(jù)合龍時的溫度，應(yīng)在跨中合龍前對合龍口兩側(cè)T構(gòu)施加頂推力。

6 結(jié)語

對于多跨連續(xù)剛構(gòu)，當(dāng)聯(lián)長較長時，或者橋墩較矮，或各墩墩高差別較大時，應(yīng)釋放部分墩梁固結(jié)改為活動支座，以減小或改善溫度作用、不均勻沉降等產(chǎn)生的橋墩內(nèi)力。對于不對稱連續(xù)結(jié)構(gòu)，小主跨與主跨的跨比應(yīng)在0.7～1.0之間，否則小主跨鋼束配置困難；由于整體構(gòu)造要求，小主跨跨中及不對稱側(cè)邊跨梁高一般和主跨跨中梁高一致，比與小主跨跨度相匹配的正常梁高大，自重偏大，因此不對稱側(cè)邊跨跨度可以適當(dāng)減小，一般按0.5倍小主跨跨度加最小節(jié)段長即可；由于小主跨合龍段的不對稱性，合龍段處附近往往為正負(fù)彎矩過渡區(qū)域，因此鋼束配置時應(yīng)特別注意。本橋已于2018年11月順利合龍。