深水庫區高墩大跨連續剛構橋梁設計要點分析

徐章潔，代 富，陳 曦

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

隨著我國水電站建設事業的發展，電站建設規模日益增大，庫區段過江交通已不再滿足于索道、渡頭等交通形式，由此不可避免在大型水庫中修建越來越多的深水高墩橋梁。對位于四川西部高原地區的電站來說，由于地理位置原因，若采用超大跨橋型如懸索橋、斜拉橋等，后期養護困難，養護費用高，而連續剛構橋型由于其跨越能力大、施工方便、后期養護費用少，成為電站庫區中常用的主流橋型[1]。本文以雙江口水電站庫區G317線復建公路紅旗大橋為例，探討該類型橋梁的設計要點，為同類型橋梁的設計提供借鑒和參考。

1 工程概況

雙江口水電站為大渡河干流上游控制性水庫工程，電站壩址位于大渡河上源河流足木足河與綽斯甲河匯合口以下2 km河段，地跨阿壩州馬爾康縣和金川縣，上距馬爾康縣城約44 km，下距金川縣城約48 km。電站正常蓄水位2 500 m，最低蓄水位為2 420 m，水位變動幅度達到80 m。雙江口水電站庫區G317線復建公路設計等級為三級公路，設計時速40 km/h，紅旗大橋為該線路上的一座特大橋，主橋上部結構設計為(120+220+120)m預應力混凝土連續剛構橋。橋梁總體布置如圖1所示。

橋梁寬度采用凈-11.0 m(行車道)+2×0.75 m(人行道)+2×0.25 m(護欄)，總寬13.0 m；設計荷載須同時滿足公路—Ⅰ級及汽-60級；地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應特征周期為0.45 s。

注：圖中水位單位為m，其余單位為cm。

2 橋梁結構設計

2.1 上部結構設計

紅旗大橋主橋采用(120+220+120)m連續剛構，為預應力混凝土結構，箱梁采用單箱單室截面。箱頂板寬13 m，底板寬7 m。箱梁根部梁高14.5 m，中跨跨中及現澆合龍段梁高4.5 m，箱梁底板下緣按1.8次拋物線變化。0號塊箱梁底板厚度為170 cm，各梁段底板厚從懸臂根部至懸澆段結束處為150 cm—35 cm，其間按1.8次拋物線變化，跨中合龍段及邊跨現澆段底板厚度為35 cm。箱梁0號塊頂板厚度為50 cm，其余節段為32 cm。箱梁腹板厚度由90 cm—75 cm—60 cm。主墩墩頂截面箱梁橫斷面構造尺寸如圖2所示，跨中截面箱梁橫斷面構造尺寸如圖3所示。

注：單位為cm

注：單位為cm

箱梁0#塊長14 m，每個“T”構向兩側各劃分為26個節段，“T”構最大懸臂長度為108.5 m，每個邊跨現澆段長度為4 m。全橋共設3個合龍段(2個邊跨合龍段，1個中跨合龍段)，每段長度均為2.0 m。主梁采用三向預應力體系，縱向預應力鋼束設置了腹板束、頂板束和底板束。腹板束、頂板束采用25Φs15.2、20Φs15.2鋼絞線，底板束采用20Φs15.2鋼絞線。橫向預應力鋼絞線采用2Φs15.2鋼絞線，豎向預應力鋼筋采用3Φs15.2鋼絞線，順橋向均按0.5 m間距布置。

2.2 主墩設計

12#、13#主墩采用單室空心墩，墩高172 m，縱橋向墩頂寬11 m，墩底寬13.04 m，上部70 m范圍內寬度不變，下部按1：100放坡；橫橋向墩頂寬7 m，墩底寬12.734 m，按1：60放坡；墩壁厚70～90 cm，墩底設3.0 m高的實心段。

2.3 交界墩設計

交界墩采用單室空心墩，墩高分別為81 m及88 m，縱橋向墩頂寬4 m，墩底寬分別為6.025 m及6.2 m，按1：80放坡；橫橋向墩頂寬7.2 m，墩底寬分別為9.225 m及9.4 m，按1：80放坡；墩壁厚60～80 cm，墩底設2.5 m高的實心段。

3 深水庫區高墩大跨連續剛構橋梁的特點

3.1 上部結構跨度大，易產生病害

本橋位于電站庫區蓄水范圍內，且山高水深，正常蓄水位時水面寬度超過580 m，水面至溝谷底部的高度超過210 m，因此為適應地形條件，連續剛構橋梁的上部結構主跨跨徑達到220 m。連續剛構橋梁隨著跨度增大，較易出現跨中下撓，頂底板、腹板開裂等病害，同時隨著跨度增大，施工質量控制難度也相應增大，導致后期出現病害的風險也相應增大。

3.2 橋墩墩高較高，且淹沒水深大

由于橋梁位于電站庫區內，橋梁主墩高度達到172 m，交界墩最大墩高達到88 m，而受電站蓄水位影響，正常蓄水位下，主墩淹沒水深達到160 m以上，電站運行期水位變幅達到80 m。深水淹沒區橋梁的特殊性在于一旦因為地震導致橋梁損壞，其修復時間長，修復難度大，特別是對于淹沒在水下部分的橋墩，震后維修加固必須在水下進行，施工難度及經濟代價都非常大，因此深水淹沒區橋梁的抗震問題不容忽視。

3.3 岸坡穩定性受蓄水影響較大

以本橋為例，電站庫區蓄水位變幅達到80 m，主墩所處岸坡下部覆蓋層最大厚度約20 m。在非庫區條件下，岸坡穩定性分析主要考慮天然工況、暴雨工況及地震工況，但受蓄水影響，岸坡穩定還須考慮庫水驟降工況。此外，土質邊坡在水庫蓄水后內摩擦角及粘聚力降低，極易發生滑移或蠕變，對主墩產生水平推力，影響程度難以精確計算。

4 深水庫區高墩大跨連續剛構橋設計關鍵問題解決方案

4.1 大跨度連續剛構橋腹板及頂、底板裂縫問題

導致大跨度連續剛構橋腹板及頂、底板裂縫產生的原因較復雜[2]，在滿足計算要求且配置足夠預應力鋼束的情況下，后期運行過程中，連續剛構橋的腹板及頂、底板仍可能產生裂縫。因此，為避免箱型梁體出現開裂現象，本橋設計時考慮采用構造措施，在0#～5#梁段范圍內，對腹板、橫隔板、頂版、底板的內外壁增設一層直徑6.5 mm、網眼間距8 cm×8 cm的帶肋鋼筋焊網；在6#～29#梁段，對腹板、底板的內外壁增設一層直徑6.5 mm、網眼間距8 cm×8 cm的帶肋鋼筋焊網。

4.2 大跨度連續剛構橋跨中下撓問題

大跨度連續剛構橋主跨跨中下撓的原因有[3]混凝土收縮徐變、施工偏差、運營期超載等。設計時除選擇合適的主梁結構尺寸并設置預拱度外，本橋設計時，考慮在主跨處，以跨中位置為豎曲線交點設置0.5%雙向縱坡，以便于成橋狀態下跨中預留一定上拱富裕度。

4.3 地震動水效應的影響

本橋在庫區正常蓄水位狀態下，絕大部分橋墩都淹沒在水中，地震工況下，水體對橋梁結構的動力特性會產生顯著的影響。目前工程上一般采用附加橋墩一定范圍的水體質量來體現這種墩和水在運動情況下的耦合作用。本橋設計時，采用賴偉等[4]提出的矩形截面柱體單位高度上動水附加質量的等效公式來計算附加質量的數值，并采用橋梁空間分析軟件Midas Civil建立全橋模型進行數值模擬計算，模型中主梁與主墩采用剛性連接，計算模型如圖4所示。

圖4 全橋有限元計算模型

本橋設計時依據《公路橋梁抗震設計細則》進行，橋梁主跨220 m，為A類抗震設防類別，須同時進行E1和E2地震作用下的抗震設計。由于E2地震作用為控制因素，本文僅列出E2地震作用下主墩墩底的地震響應分析結果，如表1所示。

通過對比分析可以發現：考慮水的影響后，結構在橫橋向的彎矩增加達到50%以上，縱橋向彎矩也增加達到30%以上，因此，在深水條件下，庫水對結構地震響應的影響不容忽視，在設計中必須予以重視。

表1 主墩墩底地震動響應分析對比

本橋在設計時考慮到主墩處于庫區深水中的特殊情況，若橋墩在E2地震作用下發生結構損傷，則震后檢修維護極為困難，故下部結構在設計時適當提高了結構強度，使橋墩在E2地震作用下仍處在彈性工作狀態，從而確保下部結構留有足夠的安全儲備。

4.4 岸坡防護設計

為避免主墩岸坡下部覆蓋層發生滑移或蠕變對主墩產生水平推力，本橋在設計時，要求對承臺頂面高程以上部分的覆蓋層全部進行清除處理。

5 結語

雙江口水電站紅旗大橋的跨度及墩高均在國內同類型橋梁中位于前列，并且橋墩淹沒水深大，因此具有一定的特殊性。本橋在設計中針對連續剛構橋梁較易產生病害的關鍵問題采取了一定的工程措施，并采用附加質量方法來考慮地震作用下庫水對橋梁響應的影響，本橋的設計方法可對同類型橋梁的設計和分析提供一定的借鑒和參考。