基于受力特點的斜腿剛構橋設計研究

舒 勇 朱朝陽 余永強

(1.武漢深為工程技術有限公司 武漢 430056； 2.中國市政工程西北設計研究院有限公司 武漢 430056)

斜腿剛構橋因造型美觀、與周圍環境協調性強、材料使用經濟[1]，在中等跨徑橋梁選型中具有較強的競爭力，自世界上第一座預應力斜腿剛構橋(1954西德霍萊姆橋)修建以來，這種橋型已越來越多地運用于我國城市或公路改建或新建橋梁中[2]。斜腿剛構橋兼顧拱橋及剛構橋的特點，橋墩與主梁固結能夠減小主梁跨中彎矩，有效減小主梁梁高[3-4]，但其為有推力結構，對地基條件有一定要求。本文以湖北省鄂州市月河橋的設計為例，研究新建斜腿剛構橋結構受力優化處理等關鍵措施，通過合理的技術措施，使橋梁結構受力處于合理狀態。

1 工程概述

1.1 建設條件

月河橋位于湖北省鄂州市，跨越長港，是連接樊口片區與月河片區的重要通道。月河舊橋為雙曲拱橋，經鑒定為限載通行的危橋，居民需乘坐渡船過河，極為不方便，迫切需要新建一座橋梁。

擬建場地地基巖土層在勘探深度范圍內的地基巖土層包括：①層填土(Qml)，②淤泥粉質黏土(Q4l)，③-1粉質黏土，③-2粉質黏土，③-3礫砂，③-4粉質黏土，④-1層強風化礫巖(K)，④-2層中風化礫巖(K)，⑤-1強風化砂巖，⑤-2中風化砂巖。淤泥粉質黏土場地均布厚度4～5 m。

1.2 總體布置及結構方案

斜腿剛構橋跨徑組成為37 m+64 m+37 m=138 m，一跨跨越長港，主跨64 m，主墩承臺間距80 m。同時利用斜腿剛構的邊跨空間，打造親水休閑平臺，并在橋臺上設置過渡孔，方便地面輔道小型車輛調頭，方便周圍居民出行。橋梁總體布置圖見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖 (單位：m)

主梁采用變高度混凝土箱梁，梁高沿按二次拋物線變化。主梁為斜腹板單箱雙室截面，箱梁頂寬23 m，箱梁懸臂長度4 m，跨中及端部梁高1.8 m，根部梁高4.0 m。

斜腿主墩。斜腿縱橋向水平夾角55°，豎向斜率與主梁邊腹板一致，主墩上部采用混凝土單箱雙室截面，下部采用矩形實心截面，采用基座與承臺連接，承臺下設8根直徑2.0 m鉆孔灌注樁。主墩結構圖見圖2。

圖2 主墩結構圖 (尺寸單位：m)

橋臺及基礎。橋臺采用雙柱式臺身，與臺后通道連為一體，每個承臺下設置8根直徑1.2 m鉆孔灌注樁。

2 斜腿剛構斜腿固結與先鉸接后固結的比較

常規的斜腿剛構橋型，斜腿底部有固結和鉸接2種體系方案。斜腿剛構橋為多次超靜定結構，溫度及收縮徐變產生的次內力較大[5]，斜腿端部鉸接可有效減小因預應力、混凝土收縮徐變及溫度變化對斜腿產生的次內力，但斜腿頂部彎矩較大，且耐久性較差，一般適用較小跨徑斜腿剛構橋。本橋結構體量較大，斜腿端部位于常水位以上、洪水位以下，設置永久鉸結構較為復雜，且耐久性差，不便維護，因此本橋成橋后宜采用斜腿固結體系。

由于本橋規模較大，上部結構施工工期較長，若施工期間墩底固結，混凝土早期收縮徐變發展較快，施工過程中在斜腿根部產生較大的內力[6-7]，對斜腿及基礎受力不利，需通過增大截面尺寸和配筋來解決，增加工程投資。施工期間在恒載及預應力二次力作用下墩底亦會產生較大的彎矩內力。

為改善施工期間斜腿端部受力，對斜腿固結及先鉸接后固結2種體系進行計算對比。采用有限元程序midas Civil建立全橋空間模型。模型共分804個單元， 827個節點；縱向建模考慮樁土共同作用，模擬樁基礎土彈簧剛度，梁體按實際縱坡5%建模，全橋計算模型見圖3。

圖3 全橋計算模型

施工及成橋固結體系墩底內力計算結果見表1。

表1 施工及成橋固結體系墩底內力計算結果

施工設鉸、成橋固結體系墩底內力計算結果見表2。

表2 施工設鉸、成橋固結體系墩底內力計算結果

固結體系恒載作用下墩底彎矩為69 262 kN·m，施工設鉸、成橋固結體系恒載作用下墩底彎矩為19 780 kN·m，彎矩減小71.4%；由于恒載彎矩占比較大，運營階段組合彎矩亦減小顯著，減小幅值達50.8%。經分析比較，采用施工期間臨時設鉸、成橋后固結的措施，可以顯著減小和改善墩底及基礎受力，保證斜腿及基礎受力安全。

3 一般地質條件橋墩基礎的研究

月河橋斜腿基礎位置地質條件一般，固結體系下基礎承受較大水平推力，樁身內力及樁頂位移較大。通過合理設置群樁基礎偏心距、采用抗推能力強的大直徑樁、對承臺位置一定范圍土體進行漿噴樁加固等措施能有效控制樁身內力和樁頂位移，保證基礎設計安全。

3.1 基礎偏心距設置對下部結構受力的影響

由于斜腿端部采用固結體系，成橋后在后期混凝土收縮徐變、溫度作用下，基礎將承受較大的水平推力和彎矩。橋位處覆蓋層粉質黏土深度較厚，土對基礎的約束作用較弱，樁身位移及樁頂位移較大，控制樁基礎結構設計。為了最大限度地減小樁身內力和樁頂位移，同時兼顧橋墩受力安全，研究群樁基礎與橋墩偏心距的不同對承臺底和墩底內力影響，分別研究基礎外偏0.6 m、外偏0.3 m、不偏、內偏0.3 m、內偏0.6 m等6種工況，基礎偏心距對承臺底內力影響計算結果見表3。

表3 基礎偏心距對承臺底內力影響計算結果

基礎偏心距對墩底內力影響計算結果見表4。

表4 基礎偏心距對墩底內力影響計算結果

由分析結果可知，隨著基礎中心向跨中偏移，承臺底及墩底彎矩內力逐漸增大，但基礎剪力逐漸減小，為合理控制和平衡樁頂內力及水平剪力導致的樁頂位移，同時控制墩底內力，基礎偏心距外偏(向岸側)0.3 m。

3.2 樁基布置方案對樁頂位移控制的影響

按照樁身面積相等原則，分別研究8根直徑2.0 m樁基、10根直徑1.8 m樁基、14根直徑1.5 m樁基等3種不同直徑樁基布置方案，對運營階段樁頂最大位移控制的影響，3種方案樁頂最大位移計算結果見表5。

表5 樁頂最大位移計算結果

由分析結果可知，最不利工況組合下，8根直徑2.0 m的樁基布置方案能較好地控制樁頂最大位移，樁頂最大位移5.6 mm<6 mm，因此采用抗推能力較強的大直徑2.0 m群樁基礎，確保樁周土體及樁身受力安全。

3.3 承臺臺后土體加固措施

為提高主墩樁側土抗力，主墩基礎施工采用直徑2.5 m鋼護筒成孔，承臺以下鋼護筒為永久護筒，長5 m，護筒范圍樁徑2.5 m，其余范圍樁徑為2.0 m。

承臺后8 m范圍及承臺以下土體采用水泥攪拌樁(漿噴樁)進行處理，水泥攪拌樁(漿噴樁)樁徑0.5 m，樁長13 m，縱橫向間距1.3 m，交錯布置。承臺范圍土體加固示意圖見圖4。

圖4 承臺范圍土體加厚示意圖(單位：m)

4 結語

本橋已順利建成通車。在橋梁設計建造過程中，通過合理設計，配合施工方案，取得了良好的效果。

1) 斜腿剛構橋基礎位于水中，采用施工期間臨時設鉸、成橋后固結的措施，既保證橋梁結構的耐久性和整體性，又可以顯著減小和改善墩底及基礎受力，保證斜腿及基礎受力安全。施工臨時鉸的構造比較關鍵，應設置足夠的連接鋼筋和承壓鋼筋。

2) 對于一般地質條件下的斜腿剛構橋，通過合理設置群樁基礎偏心距、采用抗推能力強的大直徑樁、對承臺位置一定范圍土體進行漿噴樁加固等措施能有效控制樁身內力和樁頂位移，保證基礎設計安全。