某跨越危巖區(qū)懸澆連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)分析

李璐杰，羅大慶，歐陽慕

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

某喀斯特地貌地區(qū)高速公路項(xiàng)目主線跨越斷層帶，并于橋址區(qū)發(fā)現(xiàn)大量危巖。經(jīng)多方溝通論證后決定采用大跨徑橋梁方案跨越此危巖區(qū)，以防止運(yùn)營期危石砸落對橋梁墩柱造成破壞。本文介紹了該橋方案比選與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為類似喀斯特地貌地區(qū)公路工程跨越斷層帶危巖區(qū)設(shè)計(jì)提供實(shí)例參考。

1 方案比選

橋址區(qū)共發(fā)現(xiàn)危巖34處，近6 000 m3，危巖分布范圍廣。此處施工應(yīng)遵循少挖原則，減少對邊坡和巖堆的擾動。

1.1 方案一

主橋采用(55+95+55) m懸澆連續(xù)梁，跨越危巖范圍內(nèi)的沖溝。設(shè)計(jì)思路如下：

(1)主要預(yù)防主線右前方地勢較高處的危巖滑塌，此處危巖難以處理且滑塌后的沖量較大，利用所跨越的沖溝作為高處危巖滑塌后的通行通道。

(2)處在危巖范圍內(nèi)的主橋主墩采用增大截面等措施提高主墩剛度，防止危巖滑塌破壞。

1.2 方案二

主橋采用(55+95+55) m連續(xù)剛構(gòu)橋，跨越方案與方案一相同，與方案一相比的主要區(qū)別為：方案二考慮主橋墩梁固結(jié)，取消連續(xù)梁臨時固結(jié)等施工措施，可降低造價以及節(jié)省工期。

1.3 比選結(jié)果

經(jīng)過綜合比選，最終選擇懸澆連續(xù)梁的方案(方案一)，理由如下：

本橋位于危巖區(qū)，主墩存在被危巖滑塌砸碰的風(fēng)險，因此有必要提高主墩的剛度作為安全貯備。連續(xù)梁橋與連續(xù)剛構(gòu)橋的主要區(qū)別是：連續(xù)梁上構(gòu)與下構(gòu)之間是彼此分離的兩個結(jié)構(gòu)，下構(gòu)受溫變作用產(chǎn)生的變形作用影響較小，有條件提高主墩剛度；而連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)，上構(gòu)與下構(gòu)為一整體，主墩受溫變作用產(chǎn)生的變形作用影響較大，嚴(yán)重限制了主墩剛度的提高。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 主要結(jié)構(gòu)尺寸

上構(gòu)結(jié)構(gòu)主梁為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁，跨徑組合為(55+95+55) m，雙幅布置。箱梁為單箱單室直腹板截面，頂板寬13 m，底板寬7 m，翼緣懸臂板寬3 m，箱梁根部高度為6 m，為主跨的1/15.83；梁端及跨中高度為2.8 m，為主跨的1/33.93；梁高按1.8次拋物線變化。箱梁0#～5#節(jié)段腹板厚度為1 m，7#～8#節(jié)段腹板厚度為0.7 m，10#節(jié)段、合龍段以及邊跨現(xiàn)澆段腹板厚度為0.5 m，6#和9#為腹板厚度過渡段。箱梁室內(nèi)頂板厚度為0.28 m，懸臂端為0.2 m。0#橫梁厚3 m，梁端橫梁厚2 m。箱梁頂?shù)淄隆?/p>

主橋箱體采用懸臂現(xiàn)澆施工，縱向分段為6.4 m(邊跨現(xiàn)澆段)+2 m(合龍段)+(4×4.5+3×4.0+3×3.5) m(10個懸澆段)+12 m(0#塊)+(3×3.5+3×4.0+4×4.5) m(10個懸澆段)+2 m(合龍段)。

下構(gòu)設(shè)計(jì)為平面3 m×8 m矩形墩，加強(qiáng)橫向抗推剛度，提高抗危巖滑塌碰撞能力。

2.2 預(yù)應(yīng)力體系

箱體采用三向預(yù)應(yīng)力體系，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。縱向、橫向、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束采用φs15.2mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。

箱體在懸澆段頂板及合龍段底板設(shè)置了備用孔道，用于應(yīng)對出現(xiàn)鋼束堵管等情況的發(fā)生。

2.3 施工順序

主橋采用懸澆施工，0#塊采用支架現(xiàn)澆施工，依次懸澆1#～10#節(jié)段，并在邊跨現(xiàn)澆段采用現(xiàn)澆施工，接著邊跨合龍進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，最后完成中跨合龍。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 主要計(jì)算參數(shù)[1]

(1)C55混凝土：容重為26kN/m3、彈性模量為3.55×104MPa。

(2)基礎(chǔ)不均勻沉降：1.0cm。

(3)箱梁整體升溫：+20 ℃，箱梁整體降溫：-25 ℃。

(4)豎向日照溫差：T1=14 ℃，T2=5.5 ℃。

(5)相對濕度：70%。

3.2 計(jì)算模型

本橋上部結(jié)構(gòu)分析以平面桿系理論為基礎(chǔ)，采用MidasCivil2019軟件進(jìn)行計(jì)算，考慮恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變(按3 650d計(jì))、溫度變化等荷載的作用。計(jì)算中按有關(guān)規(guī)范規(guī)定對各種荷載進(jìn)行不同的荷載組合，對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和應(yīng)力做了計(jì)算和驗(yàn)算。主橋箱梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，共建單元114個，施工階段29個，邊界條件7個。如圖1所示。

圖1 主橋計(jì)算模型圖

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 正截面抗彎承載能力驗(yàn)算(圖2)

圖2 抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)[2]5.1.2條γ0S≤R驗(yàn)算，彎矩最大位置在中跨跨中處。γMu=116 955.8kN·m≤Mn=134 617.3kN·m，滿足規(guī)范要求。

3.3.2 斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算(圖3)

圖3 抗剪驗(yàn)算包絡(luò)圖

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)5.1.2條γ0S≤R驗(yàn)算，剪力最大位置在主墩支點(diǎn)處。γVd=35 706.1kN≤Vn=38 586.1kN，滿足規(guī)范要求。同時受剪截面滿足《公橋混規(guī)》第5.2.11條要求。

3.3.3 正截面抗裂驗(yàn)算(圖4)

圖4 正截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)第6.3.1-2條公式σst-0.80σpc≤0驗(yàn)算。

除主梁兩端兩單元即1#單元及114#單元外，頂緣最不利位置為主墩支點(diǎn)處，下緣最不利位置為113#節(jié)點(diǎn)，其計(jì)算結(jié)果為：

頂緣σst-0.80σpc=-0.693MPa(壓應(yīng)力)<0.000MPa(拉應(yīng)力)，滿足規(guī)范要求。

底緣σst-0.80σpc=-3.497MPa(壓應(yīng)力)<0.000MPa(拉應(yīng)力)，滿足規(guī)范要求。

3.3.4 斜截面抗裂驗(yàn)算(圖5)

圖5 斜截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)第6.3.1-6條公式σtp≤0.4ftk。最不利位置為0#節(jié)點(diǎn)，其計(jì)算結(jié)果為：σtp=0.798MPa≤0.4ftk=1.096MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3.5 正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算(圖6)

圖6 正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算包絡(luò)圖

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)第7.1.5-1條公式驗(yàn)算：σkc+σpt=16.41MPa≤0.50fck=17.75MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3.6 斜截面壓應(yīng)力驗(yàn)算(圖7)

圖7 斜截面壓應(yīng)力驗(yàn)算包絡(luò)圖

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)第7.1.6-1條公式驗(yàn)算：σcp=16.30MPa≤0.60fck=21.3MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3.7 法向壓應(yīng)力驗(yàn)算(圖8～9)

圖8 施工階段法向壓應(yīng)力驗(yàn)算(頂)包絡(luò)圖

圖9 施工階段法向壓應(yīng)力驗(yàn)算(底)包絡(luò)圖

4 細(xì)部設(shè)計(jì)處理

4.1 支座位移預(yù)偏量設(shè)計(jì)

懸澆施工工期長，不同溫度下合龍時，梁體受到溫度、收縮徐變等因素影響會產(chǎn)生縱向變形，從而導(dǎo)致橋墩活動支座產(chǎn)生位移，在梁端產(chǎn)生較大的伸縮量。為此，在支座細(xì)部設(shè)計(jì)時會預(yù)先沿主梁縱向?qū)⒅ёA(yù)偏一定的位移量，使橋梁在運(yùn)營期間支座的位移量在合理的范圍內(nèi)，減少養(yǎng)護(hù)工作[3-4]，延長橋梁使用壽命。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)，采用10年齡期混凝土的收縮徐變引起的主梁位移量作為支座預(yù)偏量。因此，以固定支座為原點(diǎn)，由遠(yuǎn)及近依次給其他3個墩柱上的活動支座分別設(shè)計(jì)5.2cm、3.5cm、2.2cm的預(yù)偏量。

4.2 預(yù)拱度設(shè)計(jì)

主梁中跨按荷載頻遇組合計(jì)算的長期撓度值最大為75mm，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的長期反拱值為80mm；邊跨按荷載頻遇組合計(jì)算的長期撓度值最大為37.3mm，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的長期反拱值為77mm。按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)6.5.5條可不設(shè)預(yù)拱度，但考慮到施工、混凝土收縮徐變等因素影響，為保證運(yùn)營期路線的平順，擬設(shè)置預(yù)拱度。本橋按照中跨跨中預(yù)拱10cm，邊跨跨中預(yù)拱5cm，支點(diǎn)處預(yù)拱0cm，其間按二次拋物線變化設(shè)置預(yù)拱度值。

5 結(jié)語

連續(xù)梁橋具有整體性好、梁縫少、跨度大、變形小、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，可以用于跨越喀斯特地貌不良地形區(qū)。同時，上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)分離，下部結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要適當(dāng)提高剛度。且懸澆施工工藝成熟，對施工場地占用較小。本橋的設(shè)計(jì)，為今后類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參考。