不對稱大跨度箱梁橋總體方案設計

張征浩，張景領，郭峰石

[1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

常規預應力混凝土箱梁橋邊中跨比一般為0.55～0.6，主要為保證施工過程中懸臂對稱澆筑、成橋后受力成對稱狀態。但在橋梁設計中，經常遇到復雜的邊界條件導致橋梁布跨不能按照常規跨徑進行布置，出現非對稱布跨現象。非對稱跨徑組合形式橋梁的設計、施工以及成橋后的運營維護均異于常規橋梁，本文根據具體案例提供了一種不對稱大跨度箱梁橋的設計方案，用于解決復雜邊界條件下的橋梁布跨。

1 設計背景

鄭州市熱力總公司裕中熱電廠百萬機組引熱入鄭供熱管網工程需要采用橋梁形式跨越南水北調總干渠，管道路線呈南北走向，基本正交跨越總干渠，跨越處干渠圍網寬度約132 m。場址處北側為村莊房屋，南側有500 kV 高壓線，為確保管道橋施工與運營安全，橋梁結構必須與高壓線保持一定的安全距離。由于受到地物限制，橋跨采用了非對稱布置。已揭露的橋位地質均為土層，未能探明硬質基巖埋置深度，橋梁周邊交通便利，運輸條件良好。

橋梁為熱力管道上跨越南水北調總干渠而設，熱力管道分兩期建設，近期橋頂面敷設2 根熱力水管，遠期擴建為4 根熱力水管，管道內徑均為D1 600 mm（單管道荷載高于公路行業的單個車道公路-Ⅰ級荷載）。橋梁推薦方案采用大跨度變截面連續箱梁橋，跨徑組合為（50+150+100）m，結構總長300 m，寬度16 m。下部結構為板式墩、柱式墩，配鉆孔灌注樁基礎。

2 橋型選擇

基于南水北調總干渠斷面形式及紅線寬度，設置150 m 主跨可滿足南水北調運營管理要求。150 m 橋跨較適應的結構型式主要有以下幾種：

2.1 不對稱連續梁

連續梁在荷載作用下產生的支點負彎矩對跨中正彎矩有卸載的作用，使梁體內力比較均勻，同時也減小了梁高，減少了材料。該橋型具有剛度大、整體性好、載荷能力強、受力明確等結構特點，同時也具有經濟性優越、設計施工技術成熟、安全性良好、養護工作量較小等優點。本橋因受到南側高壓線限制，需采用不對稱跨徑組合，但可以通過大、小T 構及壓重等措施消除不對稱橋跨的不利影響。因此該橋型在本項目中仍然具有較好的應用價值。

2.2 獨塔斜拉橋

主梁用多根斜拉索拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔、受拉的索和受壓彎的梁體組合起來的一種結構體系。主梁亦可看作是多點彈性支承連續梁，斜拉索可大幅減小梁體內彎矩，降低建筑高度，減輕結構重量，節省材料。該橋型具有跨越能力強、技術成熟、景觀良好、載荷能力較強等優點，但同時也有建設造價稍高、施工工期更長、拉索養護成本較高等缺點。考慮到獨塔斜拉橋能較好地適應本項目橋位特點，因此該橋型具有一定比較價值。

其他橋型，如系桿拱橋、桁架梁等，因施工方案難以滿足南水北調的管理要求，不宜采用。

綜合考慮：推薦方案為（50+150+100）m 連續箱梁橋；比較方案為（150+70+30）m 獨塔斜拉橋（見表1）。橋型立面如圖1、圖2 所示。

表1 橋型方案比較

圖1 推薦方案：（50+150+100）m 連續箱梁橋（單位：m）

圖2 比較方案：（150+70+30）m 獨塔斜拉橋（單位：m）

3 推薦方案結構設計

3.1 上部總體設計

上部結構采用（50+150+100）m 不對稱預應力混凝土連續箱梁，箱梁總寬16 m，采用C55 混凝土。由于邊中跨比例僅為0.33，遠低于常規值0.55，如按常規設計思路，必然造成梁體受力極不平衡，所以須采取措施改善結構受力。為此，對箱梁構造進行計算分析，得出以下措施能有效改善不對稱連續梁受力狀態：

（1）采用大、小T 懸澆構造，促使箱梁在合龍時自重產生內力處于良好平衡狀態，與常規懸澆較為接近。

（2）對1 號墩處箱梁采取點荷載壓重措施消除支座脫空問題，經過計算分析，當壓重為340 t 時，能確保施工安全，運營階段1 號墩支座仍有不小于400 t 的壓力儲備。

（3）3 號墩采取雙排支座對負彎矩進行削峰，大幅降低負彎矩峰值，同時也改善了承臺受力。

（4）對第三跨采取77.4 kN/m 線荷載壓重，減小主跨跨中下撓，改善主跨受力，同時也促使3 號墩雙排支座支反力趨于接近。

（5）預留備用體外預應力構造，待遠期四管通水時張拉，為后期大幅增加管道荷載提供受力支撐。

通過以上措施，無論是近期兩管通水，還是遠期四管通水，均能使梁體受力處于良好狀態、1 號墩支座始終處于受壓狀態。

3.2 主梁節段劃分

主梁節段劃分力求結構縱向受力均勻合理，節段重量接近，方便掛籃施工操作。箱梁縱向梁段劃分：4 m 邊跨現澆段+（3×4 m+4×3.5 m+5×3 m）12個懸澆段+10 m0#梁段+（5×3 m+4×3.5 m+5×4 m）14 個懸澆段+2 m 中跨合龍段+（7×5 m+7×4 m+8×3 m）22 個懸澆段+14 m0#梁段+（8×3 m+7×4 m+7×5 m）22 個懸澆段+6 m 邊跨現澆段。箱梁采用掛籃懸澆施工，其中0# 塊采用支架現澆施工，合龍段采用掛籃現澆施工，邊跨現澆段采用支架現澆施工。

3.3 箱梁截面設計

箱梁截面設計是影響結構受力是否合理的主要因素，根據跨徑確定箱梁高度，橋寬影響腹板厚度。鑒于目前國內已建箱梁橋中，部分箱梁出現了明顯病害，主要病害為主跨跨中下撓和梁體開裂。究其原因，除了施工不規范外，也有設計考慮不周全等因素。為了獲得合理的結構尺寸，在方案設計階段應重視截面尺寸的計算分析，對構成截面的頂底板、腹板尺寸做反復的計算、分析及優化，以求達到更佳受力狀態。

本橋在方案設計階段，通過對截面尺寸多次調整與計算獲取了較為理想的截面尺寸，采用單箱單室截面，箱室寬8.5 m，兩側懸臂翼緣板寬3.75 m，頂板自成2%橫坡，底板保持水平。

2 號主墩小T 箱梁梁高：主梁根部高H根=7.5 m，跨中梁高H中=3.5 m，梁高變化采用2.0 次拋物線，H根/L=1/20，H中/L=1/42.86。頂板厚度為32 cm，底板厚度由根部厚90 cm 漸變到跨中32 cm（按2 次拋物線變化），腹板厚度采用50 cm、65 cm、80 cm、90 cm四種厚度。

3 號主墩大T 箱梁梁高：根部梁高H根=12.5 m，跨中梁高H中=3.5 m，梁高變化采用1.6 次拋物線，H根/L=1/12，H中/L=1/42.86。頂板厚度采用32 cm、45 cm、60 cm 三種厚度，底板厚度由根部厚110 cm漸變到跨中32 cm（按1.6 次拋物線變化），箱梁腹板厚度采用50 cm、70 cm、85 cm、100 cm 四種厚度，箱梁跨中截面如圖3 所示。

圖3 箱梁跨中截面

3.4 箱梁預應力設計

箱梁采用縱向、橫向和豎向三向預應力體系，均為φs15.2 高強低松弛鋼絞線，主梁縱向按全預應力構件設計。

備用體外預應力束：中跨合龍段設置3 對15-26體外預應力束，采用無黏結環氧低松弛鋼絞線，鋼束外套采用高密度聚乙烯管，轉向塊預埋管采用無縫鋼管。

3.5 箱梁計算分析

箱梁結構計算采用Midas 進行，箱梁縱向受力按全預應力構件設計，箱梁橫向受力頂板按A 類預應力構件設計，底板按普通鋼筋構件設計。支點截面處橫隔板段采取其空心處的截面尺寸進行計算，其余重量按照集中力加在對應位置。計算模型如圖4 所示。

圖4 Mida s 結構計算分析模型

箱梁驗算按公路橋梁系列規范進行，遠期四管通水需張拉備用體外預應力，否則跨中下緣將出現拉應力。箱梁縱向受力各項主要指標見表2。

表2 箱梁縱向受力主要指標

3.6 下部結構設計

下部結構的主要功能是承上啟下，需將上部結構傳遞下來的各項荷載可靠地傳遞給地基，因此地質條件是影響下部結構布局的重要因素之一。根據本橋位地質資料，100 m 以內無堅硬基巖，因此樁基按摩擦樁設計。項目組選取受力最大的3 號主墩基礎進行技術方案分析，分別選取15 根φ2.0 m 群樁、18 根φ1.8 m 群樁、24 根φ1.6 m 群樁進行樁長計算。計算結果顯示，15 根φ2.0 m 群樁樁長需要95 m，18 根φ1.8 m 群樁樁長需要92 m，24 根φ1.6 m 群樁樁長需要79 m。經對比分析，24 根φ1.6 m 群樁基礎材料更節省且樁基施工風險較小，故選取φ1.6 m 樁基作為本橋樁基礎方案。

2 號主墩采用板式墩，墩身順橋向3.0 m，橫橋向13.0 m。矩形承臺，順橋向寬7.1 m，橫橋向長22.6 m，厚4.0 m，底面設0.1 m 厚墊層。為了避免施工開挖影響總干渠圍欄，主墩承臺上抬至地面之上。基礎采用群樁，基礎由12 根φ1.6 m 鉆孔灌注樁組成，樁長68 m，按摩擦樁設計，樁底沉渣厚度不大于10 cm。

3 號主墩無墩身，支座墊石放于承臺之上。矩形承臺，順橋向寬14.6 m，橫橋向長22.6 m，厚4.5 m，底面設0.1 m 厚墊層。為了避免施工開挖影響總干渠圍欄，主墩承臺上抬至地面之上。基礎采用群樁，基礎由24 根φ1.6 m 鉆孔灌注樁組成，樁長79 m，按摩擦樁設計,樁底沉渣厚度不大于10 cm。

邊墩采用雙柱方墩，墩身順橋向1.8 m，橫橋向1.8 m。矩形承臺，順橋向寬6.6 m，橫橋向長14.6 m，厚2.5 m，底面設0.1 m 厚墊層。基礎采用群樁，基礎由8 根φ1.6 m 鉆孔灌注樁組成，按摩擦樁設計,樁底沉渣厚度不大于10 cm。

4 結 語

通過對管道橋的方案設計，可以看出做一座大跨度箱梁橋的方案設計，需要綜合考慮到橋位環境、安全耐久、經濟適用、施工便利、養護輕松等諸多因素。對于非常規大跨度箱梁橋，還需針對其受力特點采取改良措施，同時對假定的主體結構尺寸經過反復論證后才能獲得良好的設計方案。