高墩大跨連續剛構橋設計分析

蔡建明，李 玲，朱祿培，李 輝

（中咨規劃設計研究有限公司，江西 南昌 330000）

綜合考慮適應性、經濟性等因素可知，在現有橋梁形式中，高墩剛構橋具有極為突出的優勢，但要明確一點，即剛構橋出現跨中下撓、箱梁開裂等問題的概率較其他類型橋梁更大，要想降低上述問題發生率，關鍵是要對高墩各方面性能引起重視，根據動力、靜力行為，確定切實可行的施工方案，確保各道工序可按照預期計劃推進，且施工質量能夠達到理想水平。

1 高墩大垮連續剛構橋概述

1.1 箱梁截面

項目上行線為42 m+70 m+42 m 的變截面預應力混凝土連續箱梁橋，其中根部高度為4.0 m、跨中高2.0 m；下行線為32 m+54 m+32 m 的變截面預應力混凝土箱梁橋，其中根部高度為3.0 m、跨中高為1.6 m。在具體設計中，使用支架法分段方案，施工節段（除合龍段）長度為3～4 m，上、下行線分別是8 m 與6 m，中跨合龍段為2 m?？紤]到箱梁底板不僅要承受箱梁重量，還會受到施工荷載影響，為保證其達到項目所提出受壓要求，還要預留出一定空間，富余空間與墩頂梁高之比以1∶11 為最佳。

根據縱向鋼筋、橫向彎矩所提出要求，對頂板厚度加以確定，底板厚度以200 mm 為最佳，懸端底板整體厚度則應當達到160 mm 左右。此外，還要對翼緣板給板內彎矩所造成影響引起重視，對于需要布設橫向鋼筋的項目，可在條件允許的情況下盡量增加翼緣板面積，并通過增設斜撐、勁肋的方式，對翼緣板程度進行延長，使得荷載均勻分布，確保荷載達到120 kN/m2。

1.2 橋墩構造

剛構橋所建設橋墩，既要具備支撐上部結構的功能，還要具備良好的柔度與穩定性。剛構橋往往采取墩梁固結工藝，連續梁、橋墩均要承受一定應力，且二者所承受應力大小與自身剛度密切相關，由此可見，在對橋墩剛度進行設置時，一方面要考慮現場情況，另一方面要避免剛度過大，將梁體結構出現變位或扭曲等問題的概率降至最低。

2 高墩大垮連續剛構橋的設計探究

2.1 項目概況

某地計劃對跨庫大橋進行建設，該大橋與電站大壩的直線距離在1 000 m 左右，在連接當地公路、打造交通網絡等方面均具有極為重要的作用[1]。該大橋既要負責向大壩上游運輸填筑施工所需材料，還要為水庫淹沒地區的運輸工作提供支持。主橋上部采用連續剛構橋設計，其規格為100+200+100 m，大橋右側引橋可拆分成連續板、T 梁兩部分，其中，連續板的長度在8 m 左右、T 梁的長度在20 m 左右，左側引橋由長度在21 m 左右的T 梁組成。該大橋總長度為610 m，寬度在8 m 左右，交界墩及主墩均使用箱型砼墩，二者高度相同，均為162 m。橋面相對高度在2 800 m 左右，明顯高于正常狀態下水庫水位高度。

2.2 結構設計

2.2.1 大橋上部結構

項目主橋是連續鋼構橋，其中，箱梁為單室單箱結構，主梁為砼結構，箱底板的寬度為5 m，頂板寬度為8 m，根部高度為13 m，合攏段+中跨跨中的梁高為3.5 m。主梁所用體系為三向預應力，其中，縱向包括頂板束、腹板束以及底板束，對應鋼絞線的強度在1 800 MPa 左右，設計方要求其張拉控制力不得小于1 300 MPa。考慮到預應力砼橋梁所承受恒載與跨徑長度為正相關，要想使梁體應力幅度、承載力達到要求，關鍵是要合理選用砼材料，本項目所用砼的型號為C60，其強度較其他型號砼更為理想，可在減小橋梁重量的前提下，為橋梁所具有可靠性、安全性提供保證。

2.2.2 大橋下部結構

隨著水庫蓄水量的增多，橋墩浸入水中部分的面積將大幅增加，設計人員以現場情況為依據，分別對實心墩、空心墩效果進行分析，最終決定放棄以往所使用的實心墩，轉而對空心墩、大橋主梁進行連接。項目柱墩所用空心墩為單室空心墩，其中，縱橋向墩的底部寬度為12 m，頂部寬度為10 m，整體高度為162 m?？招亩諏挾仍?0 m 內保持不變，70 m 后可按照1∶100 的比例進行放坡。而橫橋向墩的底部寬度為11 m，頂部寬度為6 m，要求施工人員按照1∶50 的比例進行放坡。將墩壁厚度控制在70 cm 左右，并在墩底部恰當位置增設實心段，實心段高度以2 m 為最佳。主墩承臺的厚度應控制在6.5 m，同時保證對應平面尺寸在16×19 m 左右。利用6 根鉆孔灌注樁打造符合項目要求的樁基礎，灌注樁直徑為3 m，嵌入深度在10 m 以上。

2.2.3 注意事項

（1） 確定高程

式中：Hmin代表橋面高度最低值；Hth代表通航水位最高值；Hm代表凈空高度；h0代表橋梁上部建筑實際高度。

（2） 選擇橋位

在選擇橋位時，應綜合考慮等因素。要想保證項目經濟性理想，關鍵是要在兩岸存在高地、山嘴或是庫面寬度較窄的區域進行施工，這樣做能夠有效控制橋梁長度，達到減少成本的目的。如果重點考慮地質要求，則應在地質構造相對簡單且有大面積基巖露出的區域進行施工，同時要保證現場不存在強巖溶、斷層或是滑坡等地質情況。此外，還要將布設引道的難度納入考慮范圍，嚴格控制引道半徑和形式，以免引起不必要的地質災害。若從通航的角度考慮，施工方往往更傾向于在航道穩定且平直的區域進行施工，避免頻繁出現斜交的情況[2]。景觀要求明確指出，施工現場的地貌及地形應與橋梁形態高度契合，確保所打造景觀統一且和諧。為保證施工順利進行，還要對所選擇區域運輸材料的難度加以考慮。本項目中，受深水條件制約，為保證大橋充分滿足地質要求，施工方最終決定在基巖條件理想的區域進行施工。

（3） 穩定性設計

邊坡所表現出穩定性，通常決定著項目整體的安全性，由此可見，施工人員應嚴格控制開挖量，以免邊坡出現坍塌或類似問題。在此基礎上，全面分析邊坡所表現出穩定性，若邊坡穩定性良好且未受到風化影響，可通過抹面或噴漿的方式，為其提供相應的保護，如果邊坡穩定性不理想，同時存在結構松散或是風化嚴重的情況，則要通過擋土墻或是護面墻對其進行加固。

（4） 耐久性設計

要想保證結構耐久性達到預期，關鍵要酌情采取以下策略：一是保證上部構造高度高于蓄水位，避免水位變動給上部構造產生影響。二是對水泥用量加以控制，除特殊情況外，預應力砼用量均應在400 kg/m3以上，鋼筋砼用量則要達到300 kg/m3以上。三是以現場情況為依據，判斷是否需要對貼面鋼筋網進行布設。四是對砼強度進行調整，本項目所使用預應力砼的強度應達到C40，而鋼筋砼的強度需要達到C30。五是對鋼筋保護層整體厚度提出嚴格規定，其中，上部結構所布設保護層厚度以5 cm 及以上為最佳，墩臺保護層整體厚度則需要達到7 cm 以上，同時對其坐標進行準確測量。

（5） 橋梁墩臺計算

在本項目中，設計人員以前期地質勘察所掌握資料為依據，對大橋基礎進行了設計，先確定基礎為樁基礎，再將其嵌入基巖，希望能夠通過約束固端的方式，為墩身、橋梁構造提供安全保護。本項目與常規大橋的區別，主要是在于其橋墩高度相對較高，通?？蛇_到160 m 及以上，考慮到高墩往往擁有極大的柔性，對施工方案進行設計時，應重點關注其剛度及穩定性[3]。

2.3 計算分析

2.3.1 動力分析

在分析剛架橋前，先要確定結構坐標，并以單元、節點為單位，對結構進行劃分，再對節點力向量、位移向量進行設定，見圖1。獲得離散圖后，便可建立相應的剛度方程，即：

圖1 項目離散圖

在該方程中，[K] 代表剛度矩陣；g0gggggg代表位移向量；{P}代表力向量。隨后，便可基于大橋全橋對有限元模型進行建立（見圖2），根據橋墩情況設置相應約束條件，對墩底邊界加以固定。本項目所建設橋墩為薄壁雙肢橋墩，整體剛度較低，對應基頻在4Hz 左右。需要注意的是，施工期間可能會出現反對稱的振型（見圖3），這表示該環節橋墩存在較為明顯的振動，應酌情調整施工方法，保證橋墩可靠且安全。綜上，通過分析全橋動力特性能夠看出，該大橋結構相對較弱，極易由于地震、風荷載影響而出現變形，加之本項目為典型的高墩橋，與橋梁走向相同的橋墩具有良好延性，有一定概率出現塑性轉角或類似情況，在對施工方案進行設計期間，應重點關注塑性鉸區，根據現場情況對配筋等工作的關鍵點加以確定。

圖2 項目計算模型

圖3 全橋陣型圖

2.3.2 靜力分析

（1） 確定施工流程

由于本項目墩身高度相對較高，為避免深水環境造成嚴重影響，施工人員決定通過懸臂掛籃法對砼進行澆筑，該項工作共包括四個環節，首先是前移掛籃，其次是綁扎鋼筋同時對砼進行澆筑，需要注意的是，在該環節單元并未被激活，再次是激活單元并確定濕重，最后是對鋼束進行張拉[4]。

（2） 驗算橋梁結構

考慮到箱梁所儲備應力、整體強度均會給箱梁可靠性產生直接影響，專業人員指出應通過有限元程序對箱梁應力進行準確驗算，由此確定箱梁應力以及承載力。另外，對穩定性進行驗算的切入點有三個，分別是抗風狀態下的穩定性、雙懸臂最大值狀態下的穩定性和成橋狀態下的穩定性。研究表明，該橋墩所表現出承載力可達到行業要求，即使在橫風工況下進行施工，其穩定性仍然能夠得到有力保證。

2.4 墩身施工要點

2.4.1 施工方案

待承臺施工告一段落，可著手準備連接長鋼筋，為墩身首節段的施工做好準備。等到首節段砼強度達到項目要求，再對爬模系統進行安裝，在綁扎鋼筋的同時對下一節段進行砼灌注施工，待砼達到凝固狀態，盡快脫模并安裝液壓系統與爬軌，在勻速爬升至對應節段后，以支撐架為參照物，在其下方對下爬架進行安裝，隨后，依次完成爬升、關模和灌注砼等工作，確保墩身施工質量可達到預期[5]。對本項目墩內橫隔板進行施工時，施工人員計劃先在墩身內側恰當位置對預埋件進行埋設，再對牛腿進行安裝，通過鋪設預制板的方式，確保后續施工可順利完成。項目中部分橋墩施工參數見表1。

表1 橋墩施工參數統計

2.4.2 測控方案

蓄水后，現場水位將提高100 m 左右，墩身沒入水中的部分能夠達到160 m，如何保證墩身質量，便成為施工人員關注的重點。鑒于此，施工方指出應密切關注墩身情況，根據測量所得數據調整施工方案，確保橋墩結構、橫縱軸線均能夠達到設計要求。測量方法如下：第一步，在橋墩頂面布設兩個測量點，保證各測量點均位于橫軸線上。第二步，通過鉛垂儀引出紅外線，將紅外光斑作為參照物，對橋墩結構、軸線坐標進行控制。第三步，酌情引入定位儀，利用定位儀校核各點坐標。對本項目進行測控期間，應重點關注中心定位、高墩高度等參數。其一，測控中心定位。考慮到現場地形較為復雜，因此，先要利用全站儀對平面控制網進行布設，定期對控制網相關參數進行測量，將測量所得數據上報給工程師，由工程師負責審批。如果施工當日最高氣溫在28 ℃以上，則要在8∶00 前完成上述工作，將溫差給測設結果所產生影響降至最低。對模板進行安裝時，應密切關注墩身各角點、中心點坐標，及時糾偏。嚴格按照設計方案所提出要求，綁扎墩身鋼筋，在保證模板、鋼筋位置符合要求的前提下，著手準備澆筑砼及后續施工。施工期間應利用全站儀、垂準儀監測墩身垂直度，每隔20 m 設置一個斷面，根據高墩軸線、中心所在位置，對測點進行布設，確保監測所得數據能夠如實反映高墩垂直情況。其二，測控高墩高度。通過三角網點對墩臺高度進行測量，以設計方所提供基準點為依據，根據項目特點、現場地形對高程網進行布設并測量，將測量所得數據上報給工程師，由工程師負責進行審批。待承臺施工告一段落，再按照設計方案所提出要求對臨時水準點進行布設，密切關注墩身高度和沉降程度，保證施工進度可達到預期。

3 結論

綜上，隨著城市化建設的推進，各地紛紛加入興建高等級公路的陣營，在美觀性、協調性與力學合理性等方面具有突出表現的高墩剛構橋，開始為人們所熟知。考慮到該類橋梁具有結構復雜、調整難度大的不足，要想使其優勢得到充分發揮，關鍵是要綜合考慮多方面因素，對切實可行的施工方案進行設計，本研究便以此為切入點，結合某項目情況對設計要點展開了討論，希望能夠給其他人以啟發，為日后類似項目的高效施工奠基。