大跨單肢矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

劉 巖

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056）

1 工程概況

金山大橋跨越福州閩江，為福州市區(qū)連接倉(cāng)山區(qū)與臺(tái)江區(qū)的重要通道。與連續(xù)梁相比，連續(xù)剛構(gòu)可以節(jié)省支座費(fèi)用，后期維護(hù)也方便。梁高在同等跨度下可以比連續(xù)梁低，具有外形尺寸小、橋下凈空大的特點(diǎn)。從通航、美觀性、兩岸接線和交通組織便利等因素考慮，新建金山大橋主梁采用（60+110+60）m變高度混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁。

該橋?yàn)槌鞘兄鞲陕罚瑯蛑诽庨}江通航標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ級(jí)，場(chǎng)地環(huán)境類別為Ⅱ類，動(dòng)峰值加速度0.10g，地震基本烈度7 度。地質(zhì)層為第四系沖洪沖淤積層，覆蓋層厚度較大。

2 總體布置

新建金山大橋跨江主橋采用孔跨布置為（60+110+60）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，邊中跨比0.55，如圖1 所示。梁底下緣采用半徑為499.23 m圓曲線變化。主橋中支點(diǎn)梁高5.2 m，根部梁高為主跨徑的1/21；跨中梁高2.4 m，跨中梁高為主跨徑的1/46。主墩采用板式單肢墩，墩高9.45 m，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

圖1 新建金山大橋連續(xù)剛構(gòu)立面布置（單位:m）

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁設(shè)計(jì)

新建金山大橋主梁采用C60 混凝土。主橋中支點(diǎn)梁高5.2 m，中支點(diǎn)梁高為主跨徑的1/21；跨中梁高2.4 m，跨中梁高為主跨徑的1/46，因主梁梁高較小。為滿足抗剪截面需求，主梁采用單箱雙室斜腹板箱形截面（見圖2），頂板寬19.5 m，底板變寬11.175～9.0 m，兩側(cè)挑臂各長(zhǎng)3.5 m，頂面設(shè)1.5%單向橫坡。頂板標(biāo)準(zhǔn)厚度0.26 m，倒角根部和翼緣根部厚0.6 m，底板中跨和邊跨標(biāo)準(zhǔn)厚0.28 m，過(guò)渡至根部厚度為1.3 m。中、邊腹板厚度0.45～1.0 m。主梁0# 節(jié)段長(zhǎng)13 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)5.9 m，中跨合龍段長(zhǎng)2.0 m。主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。

圖2 箱梁截面（單位：cm）

主梁計(jì)算時(shí)考慮樁- 土相互作用、中跨合龍施加頂推力、掛籃懸臂施工齡期、基礎(chǔ)沉降等工況對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算。正截面強(qiáng)度安全系數(shù)最小值1.22。斜截面抗剪承載能力安全系數(shù)最小值1.32。正截面抗裂應(yīng)力計(jì)算，截面上下緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力。斜截面混凝土的主拉應(yīng)力最小值-0.47。主梁上緣最大壓應(yīng)力18.2 MPa，下緣最大壓應(yīng)力14.3 MPa。混凝土最大主壓應(yīng)力12.3 MPa。考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)增長(zhǎng)系數(shù)1.4 后，主梁跨中活載最大撓度為49.7 mm，小于L/600，主梁各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)剛構(gòu)橋線剛度大部分由主墩提供。為滿足強(qiáng)度和溫度變形要求，矮墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的主墩一般采用雙肢薄壁墩。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)為滿足兩岸接線要求，橋面設(shè)計(jì)高程受限。同時(shí)，橋下需滿足通航凈高要求，扣除主梁高度后主墩高度不能超過(guò)10 m。為滿足橋下通航凈寬和美觀要求，主墩需采用單肢實(shí)體墩。墩身設(shè)計(jì)既要能降低橋墩抗推剛度，又要能滿足橋墩承載力要求。因此，主墩是該橋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)需注意四點(diǎn)：（1）縱向抗推剛度應(yīng)能夠適應(yīng)混凝土收縮徐變、溫度引起的縱橋向變形；（2）結(jié)合地質(zhì)條件選擇合理基礎(chǔ)方案，降低基礎(chǔ)剛度；（3）墩身剛度的選擇需考慮穩(wěn)定性、材料強(qiáng)度、截面布筋的要求；（4）明確墩身內(nèi)力組成對(duì)應(yīng)采取措施，改善墩身受力性能。

3.2.1 墩身內(nèi)力分析

設(shè)計(jì)時(shí)首先對(duì)樁土效應(yīng)和墩身內(nèi)力影響因素兩方面進(jìn)行分析。

設(shè)計(jì)時(shí)將樁周土作用看成線彈性土彈簧，用“m法”模擬樁土共同作用。從表1 可看出，樁土中共作用工況與墩底固結(jié)工況相比，墩身內(nèi)力、位移、應(yīng)力差別很大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮樁土共同作用效應(yīng)，同時(shí)需對(duì)樁基布置方案對(duì)比，與減小基礎(chǔ)剛度。

表1 主墩墩身內(nèi)力結(jié)果對(duì)比

考慮樁土效應(yīng)后，從表2 可以看出，混凝土收縮徐變對(duì)主墩內(nèi)力影響最大，其次是整體升（降）溫和上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的次內(nèi)力。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力對(duì)下部結(jié)構(gòu)受力影響，同時(shí)考慮中跨合龍施加頂推力等措施，改善混凝土收縮徐變影響，改善墩身受力性能。

表2 主墩內(nèi)力分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)

3.2.2 樁基方案比

因連續(xù)剛構(gòu)橋墩矮, 結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土收縮徐變、溫度變化、預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力等非常敏感。基礎(chǔ)剛度直接影響橋梁整體計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需考慮樁土共同作用。同時(shí)，基礎(chǔ)又需要具有一定的抗彎剛度，以滿足懸臂施工時(shí)的安全。設(shè)計(jì)研究了3 種樁基布置形式：（1）6 根φ2.0 m 鉆孔樁，樁長(zhǎng)約95 m；（2）6 根φ2.2 m 鉆孔樁，樁長(zhǎng)約90 m；（3）13 根φ1.5 m 鉆孔樁，樁長(zhǎng)約65 m。各方案平面布置如圖3 所示。

圖3 主墩基礎(chǔ)方案平面布置圖（單位：cm）

樁基方案對(duì)比見表3。從基礎(chǔ)剛度、結(jié)構(gòu)受力條件和基礎(chǔ)工程量等方面比較，方案一主墩基礎(chǔ)采用6根φ2.0 m 鉆孔灌注樁，基礎(chǔ)剛度最小、樁基工程量較小，是最為合理的。

表3 樁基方案對(duì)比

3.2.3 橋墩尺寸確定

橋墩采用單肢實(shí)心墩，墩身剛度減小對(duì)上、下部受力均有利，單墩矩形截面尺寸確定是關(guān)鍵，減小墩身尺寸可降低橋墩抗推剛度，可改善橋墩和基礎(chǔ)受力，但會(huì)使墩身抗彎剛度減少，橋墩承載力不足。同時(shí)，為改善小截面尺寸橋墩的受力,提高施工階段穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)抗震性能，墩身設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力，并在中跨合龍施工時(shí)施加頂推力。

計(jì)算時(shí)考慮樁土相互作用，采用推薦基礎(chǔ)剛度，對(duì)墩方案，選取2.2 m、2.4 m、2.6 m 三種墩寬進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析。中跨合龍頂推力為3000 kN 時(shí)，運(yùn)營(yíng)階段墩身應(yīng)力見表4。

表4 運(yùn)營(yíng)階段墩身應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

由表4 可以看出，通過(guò)施加墩身預(yù)應(yīng)力、中跨合龍頂推力，2.4 m 寬墩身結(jié)構(gòu)滿足預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)A 類構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求，墩寬減小或增大需提高合龍頂推力或配筋率，增加設(shè)計(jì)困難和施工難度。

3.2.4 主梁中跨合龍施工與墩身應(yīng)力調(diào)整

中跨合龍通過(guò)施加頂推力，可有效改善墩身和墩頂處主梁受力[1]。改善成橋后混凝土收縮徐變引起的主梁下?lián)弦姳?。不施加合龍頂推力或合龍頂推力施加過(guò)大，會(huì)造成墩頂水平位移過(guò)大，跨中下?lián)匣蛏瞎拔灰七^(guò)大，對(duì)橋梁受力不利。本橋合龍頂推力確定為3000 kN，運(yùn)營(yíng)階段橋墩基本保持垂直狀態(tài)，主梁跨中基本無(wú)下?lián)希⒏纳屏酥髁汉椭鞫盏氖芰π阅堋?/p>

表5 不同頂推力墩身應(yīng)力、位移及跨中撓度對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，主墩墩身采用預(yù)應(yīng)力混凝土板式橋墩，墩身橫橋向?qū)挾?.0 m，順橋向?qū)挾?.4 m，主墩墩高9.45 m，采用C50 混凝土。墩身順橋向兩側(cè)共設(shè)置100 根JL32 高強(qiáng)度精軋螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋，JL32 預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋fpk=930 MPa。基礎(chǔ)采用6根直徑φ2.0 m 鉆孔灌注樁，呈梅花型布置，采用水下C30 混凝土。承臺(tái)采用多邊形承臺(tái)，輪廓尺寸為18.4 m×8.5 m×3.5 m，采用C40 混凝土，如圖4 所示。

圖4 主墩結(jié)構(gòu)圖及墩身預(yù)應(yīng)力平面布置圖（單位：cm）

4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與抗震性能分析

成橋狀態(tài)振型特點(diǎn)見表6，各振型的自振周期均未超過(guò)1 s，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好[2]。

表6 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

E2 地震作用下，主墩和樁基縱、橫橋向最不利截面彎矩小于截面等效屈服彎矩見表7。主橋結(jié)構(gòu)滿足抗震性能要求。

表7 E2 地震作用下最不利軸力下主橋主墩和樁基屈服彎矩驗(yàn)算

5 穩(wěn)定性分析

本橋?qū)κ┕るA段與使用階段穩(wěn)定分析得出,懸臂施工階段為穩(wěn)定最不利階段[3]。驗(yàn)算考慮主墩兩側(cè)混凝土節(jié)段澆筑相差1/2 節(jié)段、掛籃移動(dòng)不同步、施工臨時(shí)荷載不同步和機(jī)具動(dòng)力系數(shù)、掛籃模板墜落、梁體自重不均勻、兩側(cè)風(fēng)荷載相差50%等工況。施工階段一階縱向失穩(wěn)，穩(wěn)定特征值為24.2，該橋一類穩(wěn)定安全系數(shù)大于4，且安全度較高。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析與結(jié)構(gòu)驗(yàn)算可知，大跨度矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)，考慮“樁- 土- 結(jié)構(gòu)”的相互作用[4]；考慮中跨合龍時(shí)施加頂推力等施工措施；墩身選擇合理的截面尺寸，橋墩可選擇單壁墩結(jié)構(gòu)。新建金山大橋綜合考慮受力與自身承載力要求，選擇了合適的基礎(chǔ)形式和橋墩尺寸。該橋設(shè)計(jì)合理、各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，可為類似橋梁的設(shè)計(jì)提供一定的參考。