高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

楊相展，詹先境

(創(chuàng)輝達(dá)設(shè)計(jì)股份有限公司 長(zhǎng)沙市 410004)

連續(xù)剛構(gòu)橋以其跨越能力大、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于公路、市政、鐵路橋梁，特別是在山區(qū)跨越溝谷地段，往往成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的橋型選擇。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究。張來(lái)福等[1]介紹了逢石河特大橋主橋的設(shè)計(jì)，逢石河特大橋主橋?yàn)?66+5×120+66)m七跨連續(xù)混凝土剛構(gòu)橋，最大墩高101m，為減少溫度變形內(nèi)力，對(duì)主墩的縱橋向尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為解決連續(xù)剛構(gòu)橋后期下?lián)蠁?wèn)題適當(dāng)增加了跨中預(yù)拱度。萬(wàn)麟等[2]介紹了貴州省黔西至大方高速公路西溪河特大橋主橋的設(shè)計(jì)，西溪河特大橋主橋?yàn)?101+2×190+101)m四跨連續(xù)混凝土剛構(gòu)橋，最大墩高118m，采用橋梁博士V3.2.0對(duì)主橋進(jìn)行了計(jì)算分析，橋梁施工及運(yùn)營(yíng)各階段均能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。張敬天等[3]利用有限元軟件對(duì)重慶魚(yú)洞長(zhǎng)江大橋的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，重慶魚(yú)洞長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)?145+2×260+145)m四跨連續(xù)混凝土剛構(gòu)橋，最大墩高61m，計(jì)算結(jié)果表明穩(wěn)定最不利狀態(tài)為最大雙懸臂狀態(tài)，為保證結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)控。

結(jié)合黃虎港大橋的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了此類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，利用midas Civil程序建立了有限元計(jì)算模型，對(duì)其荷載作用下靜力特性進(jìn)行分析，分析了高墩在最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性。

1 工程概況

新建黃虎港橋位于黃虎港峽谷匯流處，老黃虎港大橋臨渫水河外側(cè)。橋址處屬低山丘陵地貌，橋位處兩岸懸崖林立，溝深約200m，地形條件極其險(xiǎn)峻，山勢(shì)自然坡度達(dá)80°。橋位區(qū)最低地面高程約205m，最高約625m，相對(duì)高差約425m。

橋跨布置采用2×30m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁+(75+130+75)m預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)+(2×37+40+37)m預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁，橋梁全長(zhǎng)498.54m，第1、第2跨橋?qū)捰?9.1m漸變至18.5m，其余橋跨全寬18.5m，最大橋墩高度113m。本橋位于一級(jí)公路上，設(shè)計(jì)時(shí)速60km/h，雙向四車(chē)道，橋梁荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，地震動(dòng)峰值加速度0.05g(基本烈度為VI度)，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。效果圖如圖1所示。

圖1 效果圖

1.1 主橋上部結(jié)構(gòu)

主橋整幅為單箱雙室截面。箱梁剛構(gòu)墩墩頂梁高780cm，跨中梁高330cm，梁高變化遵循二次拋物線(xiàn)；箱梁頂板寬度為18.5m，底板寬度為11.5m，頂板厚度均為28cm，底板厚度為由墩頂80cm按二次拋物線(xiàn)漸變到跨中30cm；頂板翼緣長(zhǎng)350cm，厚度由端部20cm變到根部80cm；腹板厚度分別為70cm、60cm及45cm，根部加厚至100cm；剛構(gòu)墩(3號(hào)墩、4號(hào)墩)墩頂設(shè)四道100cm厚的橫隔板，過(guò)渡墩(2號(hào)墩、5號(hào)墩)墩頂設(shè)一道150cm厚的端橫隔板。主跨跨中設(shè)置1道40cm厚的跨中橫隔板。變截面懸澆連續(xù)梁采用三向(縱、橫、豎向)預(yù)應(yīng)力，均采用鋼絞線(xiàn)。

1.2 主橋下部結(jié)構(gòu)

主橋橋墩采用雙肢薄壁變截面空心墩，采用單箱雙室截面，壁厚70cm。第一節(jié)墩身順橋向?qū)?.0m，橫橋向13.5m，第二節(jié)墩身順橋向?qū)?.0m，橫橋向12.5m，第三、四節(jié)墩身順橋向?qū)?.2m，橫橋向11.5m，最高墩高113m，墩頂及墩底300cm范圍內(nèi)采用實(shí)心截面，其余為空心截面。基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)厚度4.5m，樁基采用4排16根Φ2.0m樁基。

2 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

本橋應(yīng)用計(jì)算軟件Midas/civil2012進(jìn)行建模計(jì)算分析。全橋共計(jì)233個(gè)節(jié)點(diǎn)，288個(gè)單元，共分為59個(gè)施工階段。

圖2 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算荷載

一期恒載：混凝土容重取26kN/m3，鋼材容重78.5kN/m3；

二期恒載：橋面鋪裝+防撞墻，取64.8kN/m。

采用公路Ⅰ級(jí)，車(chē)道荷載橫向分布調(diào)整系數(shù)經(jīng)計(jì)算采用3.082。

汽車(chē)荷載沖擊系數(shù)，根據(jù)計(jì)算取用0.05[4]。

溫度荷載[4]包括結(jié)構(gòu)的整體溫度升降和梯度溫度升降。箱梁的合龍溫度為10～15℃為，整體溫度升降工況中，取結(jié)構(gòu)最高溫度34℃，最低溫度-3℃。主梁截面溫差取9cm厚瀝青鋪裝對(duì)應(yīng)的梯度溫度值，橋面板表面的最高溫度T1=15.2℃，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度T2=5.74℃，負(fù)溫差取正溫差值的-0.5倍，T1=-7.6℃，T2=-2.87℃。

基礎(chǔ)不均勻沉降取10mm。

2.3 靜力計(jì)算結(jié)果

全橋主要結(jié)算結(jié)果如圖3、表1所示。

圖3 主梁彎矩圖

表1 主梁計(jì)算結(jié)果

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》[5](JTG 3362—2018)要求：主梁承載能力極限狀態(tài)和正常使用階段極限狀態(tài)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 主墩穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析理論

穩(wěn)定性問(wèn)題分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)為分支點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題，第二類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題是極值點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題，不論是喪失第一類(lèi)或第二類(lèi)穩(wěn)定性，對(duì)工程結(jié)構(gòu)都是不允許的，因?yàn)樗鼈兌际沟媒Y(jié)構(gòu)不能維持原來(lái)的工作狀態(tài)，或者使其喪失承載能力。

穩(wěn)定計(jì)算的中心問(wèn)題在于確定各結(jié)構(gòu)的臨界荷載，第一類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題是求解特征值，在實(shí)際工程中容易使用大型有限元軟件求得結(jié)果，且第一類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題的臨界荷載是兩類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題的上限值，因此工程上通常通過(guò)求解第一類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[6]。

3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析結(jié)果

本橋共分為5個(gè)工況來(lái)計(jì)算最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性。施工階段的風(fēng)荷載根據(jù)規(guī)范規(guī)定計(jì)算[7]：懸臂施工的橋梁，除了對(duì)稱(chēng)加載外，還應(yīng)考慮不對(duì)稱(chēng)加載的工況，在橫向不對(duì)稱(chēng)風(fēng)載作用下，按懸臂左側(cè)承受100%的風(fēng)載，右側(cè)承受50%的風(fēng)載。縱向風(fēng)荷載按橫橋向風(fēng)荷載風(fēng)壓的70%乘以橋墩迎風(fēng)面積。豎向風(fēng)壓取橫向風(fēng)壓的0.4倍，懸臂左側(cè)作用100%豎向風(fēng)壓，懸臂右側(cè)50%。

梁端自重差按懸臂一端超出計(jì)算重度的3%、一端低于計(jì)算重度的3%考慮。掛籃荷載取值為1075kN計(jì)算。施工不平衡荷載按在T構(gòu)左側(cè)端頭作用20t的集中力并考慮懸臂左側(cè)8.5kN/m的均布荷載，右側(cè)無(wú)。工況1：自重；工況2：自重+橫橋向風(fēng)力；工況3：自重+縱橋向風(fēng)力；工況4：自重+梁端自重差+施工不平衡荷載+掛籃荷載(正常)；工況5：自重+梁端自重差+施工不平衡荷載+掛籃荷載(一側(cè)掛籃跌落，計(jì)入0.2沖擊系數(shù))。

表2 主墩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

各種工況下臨界荷載系數(shù)均大于4，說(shuō)明橋梁在最大懸臂狀態(tài)下穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求，且均有較大的安全儲(chǔ)備。

4 結(jié)語(yǔ)

詳細(xì)介紹了黃虎港大橋的設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程，計(jì)算結(jié)果表明強(qiáng)度、穩(wěn)定性等均滿(mǎn)足要求。高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁最大懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定性關(guān)系到橋梁的成敗，應(yīng)該與橋梁強(qiáng)度計(jì)算放在同樣的高度。