不對稱大跨度箱梁橋總體方案設(shè)計

張征浩，張景領(lǐng)，郭峰石

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

0 引 言

常規(guī)預(yù)應(yīng)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(tài)。但在橋梁設(shè)計中，經(jīng)常遇到復(fù)雜的邊界條件導(dǎo)致橋梁布跨不能按照常規(guī)跨徑進(jìn)行布置，出現(xiàn)非對稱布跨現(xiàn)象。非對稱跨徑組合形式橋梁的設(shè)計、施工以及成橋后的運(yùn)營維護(hù)均異于常規(guī)橋梁，本文根據(jù)具體案例提供了一種不對稱大跨度箱梁橋的設(shè)計方案，用于解決復(fù)雜邊界條件下的橋梁布跨。

1 設(shè)計背景

鄭州市熱力總公司裕中熱電廠百萬機(jī)組引熱入鄭供熱管網(wǎng)工程需要采用橋梁形式跨越南水北調(diào)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(wǎng)寬度約132 m。場址處北側(cè)為村莊房屋，南側(cè)有500 kV 高壓線，為確保管道橋施工與運(yùn)營安全，橋梁結(jié)構(gòu)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(zhì)均為土層，未能探明硬質(zhì)基巖埋置深度，橋梁周邊交通便利，運(yùn)輸條件良好。

橋梁為熱力管道上跨越南水北調(diào)總干渠而設(shè)，熱力管道分兩期建設(shè)，近期橋頂面敷設(shè)2 根熱力水管，遠(yuǎn)期擴(kuò)建為4 根熱力水管，管道內(nèi)徑均為D1 600 mm（單管道荷載高于公路行業(yè)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(xù)箱梁橋，跨徑組合為（50+150+100）m，結(jié)構(gòu)總長300 m，寬度16 m。下部結(jié)構(gòu)為板式墩、柱式墩，配鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 橋型選擇

基于南水北調(diào)總干渠斷面形式及紅線寬度，設(shè)置150 m 主跨可滿足南水北調(diào)運(yùn)營管理要求。150 m 橋跨較適應(yīng)的結(jié)構(gòu)型式主要有以下幾種：

2.1 不對稱連續(xù)梁

連續(xù)梁在荷載作用下產(chǎn)生的支點(diǎn)負(fù)彎矩對跨中正彎矩有卸載的作用，使梁體內(nèi)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(qiáng)、受力明確等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時也具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越、設(shè)計施工技術(shù)成熟、安全性良好、養(yǎng)護(hù)工作量較小等優(yōu)點(diǎn)。本橋因受到南側(cè)高壓線限制，需采用不對稱跨徑組合，但可以通過大、小T 構(gòu)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(xiàng)目中仍然具有較好的應(yīng)用價值。

2.2 獨(dú)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(jié)構(gòu)體系。主梁亦可看作是多點(diǎn)彈性支承連續(xù)梁，斜拉索可大幅減小梁體內(nèi)彎矩，降低建筑高度，減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省材料。該橋型具有跨越能力強(qiáng)、技術(shù)成熟、景觀良好、載荷能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但同時也有建設(shè)造價稍高、施工工期更長、拉索養(yǎng)護(hù)成本較高等缺點(diǎn)。考慮到獨(dú)塔斜拉橋能較好地適應(yīng)本項(xiàng)目橋位特點(diǎn)，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(diào)的管理要求，不宜采用。

綜合考慮：推薦方案為（50+150+100）m 連續(xù)箱梁橋；比較方案為（150+70+30）m 獨(dú)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(xù)箱梁橋（單位：m）

圖2 比較方案：（150+70+30）m 獨(dú)塔斜拉橋（單位：m）

3 推薦方案結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 上部總體設(shè)計

上部結(jié)構(gòu)采用（50+150+100）m 不對稱預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)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(yuǎn)低于常規(guī)值0.55，如按常規(guī)設(shè)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(jié)構(gòu)受力。為此，對箱梁構(gòu)造進(jìn)行計算分析，得出以下措施能有效改善不對稱連續(xù)梁受力狀態(tài)：

（1）采用大、小T 懸澆構(gòu)造，促使箱梁在合龍時自重產(chǎn)生內(nèi)力處于良好平衡狀態(tài)，與常規(guī)懸澆較為接近。

（2）對1 號墩處箱梁采取點(diǎn)荷載壓重措施消除支座脫空問題，經(jīng)過計算分析，當(dāng)壓重為340 t 時，能確保施工安全，運(yùn)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(fù)彎矩進(jìn)行削峰，大幅降低負(fù)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?lián)希纳浦骺缡芰Γ瑫r也促使3 號墩雙排支座支反力趨于接近。

（5）預(yù)留備用體外預(yù)應(yīng)力構(gòu)造，待遠(yuǎn)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(yuǎn)期四管通水，均能使梁體受力處于良好狀態(tài)、1 號墩支座始終處于受壓狀態(tài)。

3.2 主梁節(jié)段劃分

主梁節(jié)段劃分力求結(jié)構(gòu)縱向受力均勻合理，節(jié)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(xiàn)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(xiàn)澆段。箱梁采用掛籃懸澆施工，其中0# 塊采用支架現(xiàn)澆施工，合龍段采用掛籃現(xiàn)澆施工，邊跨現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆施工。

3.3 箱梁截面設(shè)計

箱梁截面設(shè)計是影響結(jié)構(gòu)受力是否合理的主要因素，根據(jù)跨徑確定箱梁高度，橋?qū)捰绊懜拱搴穸取ｈb于目前國內(nèi)已建箱梁橋中，部分箱梁出現(xiàn)了明顯病害，主要病害為主跨跨中下?lián)虾土后w開裂。究其原因，除了施工不規(guī)范外，也有設(shè)計考慮不周全等因素。為了獲得合理的結(jié)構(gòu)尺寸，在方案設(shè)計階段應(yīng)重視截面尺寸的計算分析，對構(gòu)成截面的頂?shù)装濉⒏拱宄叽缱龇磸?fù)的計算、分析及優(yōu)化，以求達(dá)到更佳受力狀態(tài)。

本橋在方案設(shè)計階段，通過對截面尺寸多次調(diào)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(cè)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(yù)應(yīng)力設(shè)計

箱梁采用縱向、橫向和豎向三向預(yù)應(yīng)力體系，均為φs15.2 高強(qiáng)低松弛鋼絞線，主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。

備用體外預(yù)應(yīng)力束：中跨合龍段設(shè)置3 對15-26體外預(yù)應(yīng)力束，采用無黏結(jié)環(huán)氧低松弛鋼絞線，鋼束外套采用高密度聚乙烯管，轉(zhuǎn)向塊預(yù)埋管采用無縫鋼管。

3.5 箱梁計算分析

箱梁結(jié)構(gòu)計算采用Midas 進(jìn)行，箱梁縱向受力按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，箱梁橫向受力頂板按A 類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，底板按普通鋼筋構(gòu)件設(shè)計。支點(diǎn)截面處橫隔板段采取其空心處的截面尺寸進(jìn)行計算，其余重量按照集中力加在對應(yīng)位置。計算模型如圖4 所示。

圖4 Mida s 結(jié)構(gòu)計算分析模型

箱梁驗(yàn)算按公路橋梁系列規(guī)范進(jìn)行，遠(yuǎn)期四管通水需張拉備用體外預(yù)應(yīng)力，否則跨中下緣將出現(xiàn)拉應(yīng)力。箱梁縱向受力各項(xiàng)主要指標(biāo)見表2。

表2 箱梁縱向受力主要指標(biāo)

3.6 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

下部結(jié)構(gòu)的主要功能是承上啟下，需將上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的各項(xiàng)荷載可靠地傳遞給地基，因此地質(zhì)條件是影響下部結(jié)構(gòu)布局的重要因素之一。根據(jù)本橋位地質(zhì)資料，100 m 以內(nèi)無堅硬基巖，因此樁基按摩擦樁設(shè)計。項(xiàng)目組選取受力最大的3 號主墩基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)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(jìn)行樁長計算。計算結(jié)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(jīng)對比分析，24 根φ1.6 m 群樁基礎(chǔ)材料更節(jié)省且樁基施工風(fēng)險較小，故選取φ1.6 m 樁基作為本橋樁基礎(chǔ)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?qū)?.1 m，橫橋向長22.6 m，厚4.0 m，底面設(shè)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(chǔ)采用群樁，基礎(chǔ)由12 根φ1.6 m 鉆孔灌注樁組成，樁長68 m，按摩擦樁設(shè)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?qū)?4.6 m，橫橋向長22.6 m，厚4.5 m，底面設(shè)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(chǔ)采用群樁，基礎(chǔ)由24 根φ1.6 m 鉆孔灌注樁組成，樁長79 m，按摩擦樁設(shè)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?qū)?.6 m，橫橋向長14.6 m，厚2.5 m，底面設(shè)0.1 m 厚墊層。基礎(chǔ)采用群樁，基礎(chǔ)由8 根φ1.6 m 鉆孔灌注樁組成，按摩擦樁設(shè)計,樁底沉渣厚度不大于10 cm。

4 結(jié) 語

通過對管道橋的方案設(shè)計，可以看出做一座大跨度箱梁橋的方案設(shè)計，需要綜合考慮到橋位環(huán)境、安全耐久、經(jīng)濟(jì)適用、施工便利、養(yǎng)護(hù)輕松等諸多因素。對于非常規(guī)大跨度箱梁橋，還需針對其受力特點(diǎn)采取改良措施，同時對假定的主體結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過反復(fù)論證后才能獲得良好的設(shè)計方案。