山區(qū)高墩連續(xù)剛構橋設計

李 航，黃永福

（云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650041）

1 工程概況

稿吾卡1號大橋位于元蔓高速公路紅河段，為跨越紅河而設，是元蔓高速公路控制性工程之一。該橋位于分離式的路線段上，單幅橋寬為12.5 m，其中，主橋為（58+105+58）m連續(xù)剛構橋，最大墩高86 m。

圖1 主橋橋型布置圖（單位：cm）

2 主橋主要結構設計

2.1 上部結構設計

主橋為預應力混凝土連續(xù)剛構橋，跨徑布置為（58+105+58）m，箱梁頂寬12.5 m，底寬7 m，采用單箱單室斷面，箱梁標準斷面如圖2所示。T構一般采用懸臂澆筑法進行施工，考慮施工便利及掛籃承重，現(xiàn)澆節(jié)段長按3～4 m進行劃分，邊跨現(xiàn)澆段長4.42 m，全橋共劃分為13個節(jié)段，最大懸臂澆筑節(jié)段混凝土重約150 t。箱梁根部梁高為6.5 m，跨中梁高為2.3 m，梁高曲線方程為：H=4.2×（X/46.5）1.8+2.3；根部底板厚度為0.8 m，跨中底板厚度為0.32 m，底板厚度曲線方程為：D=0.48×（X/46.5）1.8+0.32 ，式中H表示箱梁梁高，D表示箱梁底板厚度，X表示距T構最大懸臂端部的距離。

圖2 箱梁標準斷面（單位：cm）

2.2 預應力體系設計

主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預應力體系，其中，梁高小于6 m的豎向預應力筋采用直徑32 mm的精軋螺紋鋼筋，其余均采用公稱直徑為15.2 mm的高強度低松弛鋼絞線（標準強度1 860 MPa）。同時，考慮到為防止橋梁運營過程中出現(xiàn)跨中下?lián)线^大、箱梁底部橫向開裂等病害，設計中在主橋中跨設置了預備體外鋼束的相關配套構造，為將來進行預應力補強加固提供便利。

2.3 下部結構設計

主墩采用雙肢薄壁墩，單肢平面尺寸為7×2.5 m，雙肢中心距為7.5 m，基礎采用9根（3×3）的群樁基礎；過渡墩為薄壁空心墩，采用4根（2×2）的群樁基礎，根據地質情況主橋樁基均采用摩擦樁。

3 結構分析

3.1 主要計算荷載

a）恒載 一期恒載（自重）、二期恒載（橋面系）。

b）汽車荷載 公路-I級，按三車道設計，偏載系數(shù)取1.2。

c）溫度荷載 整體升溫（+30℃），整體降溫（-16℃），溫度梯度按規(guī)范取值。

d）風荷載 橋面運營風速為25 m/s，1/100設計基本風速為24.4 m/s。

e）基礎不均勻沉降 150 mm。

f）制動力荷載 627.3 kN（同向單車道標準值）。

g）地震基本烈度 7度，地震動峰值加速度0.15g，反應譜特征周期0.45 s。

3.2 上部靜力計算

主橋上部結構按全預應力構件進行設計，主墩按普通鋼筋混凝土構件進行設計；上部結構采用C55混凝土，下部結構采用C50混凝土。建立有限元模型時，墩底采用固結處理，邊跨采用滑動支座模擬主梁與過渡墩連接。

圖3 主橋有限元計算模型

3.2.1 施工階段計算

設計時按照實際施工流程劃分施工階段，并考慮30年收縮徐變的影響。設計時，施工階段箱梁截面未出現(xiàn)拉應力；成橋階段箱梁上緣壓應力最大值為-10.0 MPa，最小值為-4.1 MPa；箱梁下緣壓應力最大值為-10.8 MPa，最小值為-4.1 MPa；跨中合龍段壓應力為-7.6 MPa。

3.2.2 使用階段計算

表1 上部結構主要控制截面應力 MPa

經計算，正常使用極限狀態(tài)下截面主拉應力小于允許值0.4ftk=1.096 MPa，截面最大壓應力均小于允許值0.5fck=-17.75 MPa，斜截面主壓應力均小于允許值0.6fck=-21.3 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 下部結構靜力計算

施工階段，最大懸臂狀態(tài)為最不利工況，因此僅考慮了最大懸臂狀態(tài)時墩底截面的受力情況；運營階段，分別考慮了運營風和極限風作用下對墩底截面的影響。通過計算，橋墩墩底截面強度及裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

3.4 穩(wěn)定計算

最大懸臂施工階段為穩(wěn)定控制的最不利階段；高墩第1階屈曲模態(tài)均為側傾（向橋墩縱主面外傾斜）[1]。因此，設計時以最大懸臂狀態(tài)進行穩(wěn)定控制，計算時，第1階失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為20.9，結構穩(wěn)定滿足要求。

3.5 地震反應分析

連續(xù)剛構橋地震的作用效果主要體現(xiàn)在橋墩的底部和頂部，墩身內力反應最大值發(fā)生在墩底界面處，此截面是墩體最危險截面[2]。因本橋地處高地震烈度區(qū)，且地處重要高速公路路段，設計時提高控制標準進行控制。經分析，本橋主要的模態(tài)為1、2、3階模態(tài)，第1階模態(tài)為橫橋向振動，橫橋向振型參與質量為69.8%，第3階模態(tài)為順橋向振動，順橋向振型參與質量為82.8%。設計時采用反應譜法進行計算，地震作用與永久作用組合后，分別考慮組合1：恒載＋E（順橋向），組合2：恒載＋E（橫橋向）兩種荷載組合形式。

表2 E1地震作用下墩底截面計算結果

表3 E2地震作用下墩底截面計算結果

按照規(guī)范要求，設計時，在E1地震作用下，按墩柱最不利截面彎矩應小于截面初始屈服彎矩進行控制；在E2地震作用下，按墩柱最不利截面的彎矩小于截面等效屈服彎矩進行控制。E1地震作用下，外肢截面更不利，因此對墩柱的外肢墩底截面進行驗算；E2地震作用下，橫、順橋向墩底截面的彎矩皆小于等效屈服彎矩。通過計算，結果顯示結構滿足規(guī)范要求。

4 合龍頂推設計

大橋中跨合龍前進行頂推有利于改善墩柱的受力狀況，通過合龍時施加適當?shù)捻斖屏Γ瑴p小了混凝土連續(xù)剛構橋由合龍溫差、混凝土后期收縮徐變等產生的附加次內力，平衡了主墩水平偏位，對橋梁結構后期受力有利，增加了結構安全度[3]。該橋為三跨連續(xù)剛構，設計中采用先邊跨后中跨的順序，并模擬在15℃～20℃范圍內的條件下進行合龍，計算時，在中跨懸臂端施加750 kN的水平力以模擬頂推力，并控制梁體產生28 mm的水平位移，以降低合龍溫差、混凝土收縮徐變等因素對結構的不利影響。

5 結語

連續(xù)剛構橋是云南山區(qū)公路中常用的一種大跨度橋型，該橋型在設計技術及施工工藝等各方面都比較成熟，對云南山區(qū)公路建設來說是一種比較經濟合理的選擇。本文以元蔓高速公路稿吾卡1號大橋為例，對設計方法、設計要點及設計關鍵技術等幾方面進行闡述，為類似項目提供借鑒和參考。