流田水大橋雙肢薄壁扭轉墩形式變更及優化

譚 陽,白 峰,段坤辰,史茜茜

（中交中南工程局有限公司,湖南 長沙 410000）

0 引言

在山區高速公路建設過程中，常常因地形、河流等原因，在一些特殊環境下需設置變形墩或者異形組合墩。該文結合流田水大橋工程橋梁結構方案優化設計，從施工工期、施工環境條件和施工投資成本等方面，比選了雙肢薄壁扭轉墩和空心薄壁墩方案。

1 工程背景

1.1 工程概況

龍尋高速工程作為粵贛兩省新的省際通道，全線位于河源市龍川縣上坪鎮境內，路線全長9.419 km。采用雙向四車道高速公路標準，橋梁寬度采用（12.5×2）m。

流田水大橋是該高速工程的重要組成部分，路線位于流田水陂頭潭水電站上游50～250 m 范圍內，與河流方向斜交，角度為144.77°～157.69°，在橋梁影響范圍河段，右岸有部分農田，左岸基本以山體居多。該工程所在河段非鎮圩段，現狀無堤防，所在位置大多為自然岸坡，河岸相對穩定，規劃防護標準為10年一遇。

1.2 橋梁下部結構原設計方案

流田水大橋橋跨布置為16×40 m，橋梁上部結構采用先簡支后連續預應力T 梁。下部結構橋墩主要采用柱式墩，水下混凝土灌注樁，承臺為矩形承臺。大橋橋墩中左幅2～6 號墩、右幅2～5 號墩采用薄壁墩，薄壁墩身與蓋梁呈54.77°～67.69°夾角，墩身高43.7～53.7 m，其余橋墩采用雙柱式墩。大橋路線方向與河流方向呈30°～40°夾角，為保證防洪阻水率滿足要求，原方案其墩身下部為雙肢薄壁墩；因上部結構為預制T 梁正交，蓋梁與路線方向為90°夾角；墩身下部雙肢薄壁軸線與蓋梁軸線呈54.77°～67.69°夾角，因此橋墩為扭轉變形墩。

原設計方案墩身下部雙肢薄壁墩，截面總長6.8 m，截面總寬2.6 m，薄壁板厚0.8 m，肢凈距為1 m。雙肢薄壁墩隔板高差為15 m，墩身上部設置總高12 m 的變形段與蓋梁進行銜接，變形段共分為三個部分，下部為4 m 高雙肢薄壁實心段（截面2.6×6.8 m），中部為6 m 高“X”形實心段，上部為2 m 高順蓋梁矩形實心段（截面2.6×5.5 m）。橋墩立體及平面圖如圖1 所示。

圖1 雙肢薄壁扭轉墩結構圖

2 設計變更的必要性

雙肢薄壁扭轉變形墩減小洪水阻水率，可以滿足水利管理部門要求，但存在以下施工缺點：

2.1 模板多變、施工困難

原設計雙肢薄壁扭轉墩施工工序較多，墩身多種斷面轉化，變形墩X 截面段模板存在不規則、異形等特點，且9 個墩中平面夾角多達7 種角度，模板加工要求高，拼裝難度大，施工困難。

2.2 支撐系統設置困難

截面段支撐平臺懸挑大、平臺下需設置多重防護系統，X 截面支撐平臺設置在6×2.6 m 實心段上，平臺平面達9×8 m，需外挑2.5 m 以上，懸挑上部澆筑混凝土高度達8 m；X 截面段支撐平臺具有大懸挑、重荷載的特點。

2.3 施工安全風險高、工期長

墩身下部為雙肢薄壁墩，其變形對不均勻荷載敏感性較大。X截面段為異形，模板拼裝、鋼筋綁扎周期長，經測算平均一個墩的施工周期達到140 天左右，成本投入巨大，工期難以保證，高空施工風險大。

因此，流田水大橋下部結構優化設計變更尤為重要，應盡量減少河道占用時間，確保整體施工安全及滿足進度要求，通過變更實現項目效益最大化。

3 橋梁下部結構變更方案及影響分析

3.1 雙肢薄壁墩變更為空心薄壁墩

結合防洪評價報告有關要求，將流田水大橋左幅2～6號，右幅2～5號雙肢薄壁墩調整為空心薄壁墩。如圖2所示。

圖2 等截面空心薄壁墩設計示意圖

其中除左右幅4 號墩承臺軸線基本順水流布設外，其余橋墩承臺按正交布設；4 號墩承臺底標高提升至設計洪水位之上，對于被抬高的4 號墩承臺采用四角倒圓弧設計，減少泄洪期間漂流物滯留、掛住的風險，將原土質緩邊坡調整為較陡的混凝土擋墻；加強了高樁承臺樁基的抗撞擊設計，在配筋滿足強度、裂縫驗算的前提下，增設永久性鋼護筒，對樁身進行保護；橋墩軸線調整至與水流交角小于5°，滿足阻水率小于8%的規范要求[1]。

3.2 兩種方案進度、經濟性對比

原設計方案與變更方案的進度、經濟性部分對比如表1 所示。

表1 涉水區域橋梁下部結構方案比較

兩方案均能滿足設計要求，經比較，變更后方案具有的優勢為：①截面單一，組合模板自重較輕，采用小噸位塔吊即可滿足施工需要，同時模板周轉循環效率提高，減少拼接截面及次數，有利整體施工進度控制，施工工期減少137 d，施工平均工效比翻模高50%，確保滿足進度要求；②結合施工環境，降低施工難度及高空施工風險，模板自帶施工防護平臺降低施工安全風險，確保施工安全；③工程量較省，建安費投資較原方案節省380.6 萬元；④施工總成本降低544.1 萬元，施工利潤扭虧為盈；⑤墩柱整體外觀、養護及線性質量容易保證。

3.3 結構穩定性部分對比

根據實際情況，通過建立結構模型對該橋左幅1～2 跨（雙柱墩，高20 m）、右幅6～8 跨（雙柱墩，高34 m）、右幅3～5 跨（雙肢薄壁扭轉變形墩及空心薄壁墩，高54 m）進行整體模型穩定性計算。荷載包括恒載、汽車荷載、風荷載、流水壓力。

（1）左幅1～2 跨—雙柱墩位移分析。汽車荷載考慮偏載，伸縮縫處支座為滑動支座，其橫向位移分析如圖3 所示。

圖3 左幅1～2 跨—雙柱墩橫向位移分析圖

中墩墩頂橫橋向位移0.011 m，伸縮縫梁端橫橋向位移0.018 m。

（2）右幅6～8 跨—雙柱墩位移分析。汽車荷載考慮偏載，伸縮縫處支座為滑動支座，其橫向位移分析如圖4 所示。

圖4 右幅6～8 跨—雙柱墩橫向位移分析圖

中墩墩頂橫橋向位移0.026 m，伸縮縫梁端橫橋向位移0.033 m。

（3）右幅3～5 跨—雙肢薄壁扭轉墩位移分析。汽車荷載考慮偏載，伸縮縫處支座為滑動支座，其橫向位移分析如圖5 所示。

圖5 右幅3～5 跨—雙肢薄壁扭轉墩橫向位移分析圖

墩頂橫橋向位移：邊墩0.044 m、中墩0.114 m，伸縮縫梁端橫橋向位移0.127 m。

（4）右幅3～5 跨—空心薄壁墩位移分析。汽車荷載考慮偏載，伸縮縫處支座為滑動支座，其橫向位移分析如圖6 所示。

圖6 右幅3～5 跨—空心薄壁墩橫向位移分析圖

墩頂橫橋向位移：邊墩0.005 m、中墩0.025 m，伸縮縫梁端橫橋向位移0.033 m。

（5）綜合分析。通過結構模型驗算，雙肢薄壁扭轉變形墩跨與相鄰跨間橫向位移量差值較大（約0.09 m），對行車安全和舒適性有較大的影響；等截面空心薄壁墩邊墩頂與橋面梁間橫向位移量達0.08 m，需對支座與T梁、T 梁與擋塊間進行特殊的構造設計，結構穩定性更優。如表2 所示。

表2 結構位移對比表

3.4 設計變更的影響分析

橋梁結構的優化設計變更對整體工程具有直接影響，其中主要體現在橋梁結構穩定性、項目施工組織設計、防洪評價、項目成本和項目投資5 個方面。

3.4.1 橋梁結構穩定性

空心墩相較于實心墩柔性較好，當橋梁上部結構發生位移，或者在墩梁固結處的橫向力會對墩底處產生一個彎矩，而柔性墩會緩解這種壓力；空心墩能夠有效減少溫度、混凝土徐變、墩位移等引起的次內力；并且相較于實心墩，材料相同的情況下，空心結構使它的壓桿穩定性大大提高[2]，極大降低了受壓失穩的可能，行車安全性和舒適性更高。

3.4.2 項目施工組織設計

從項目實際進度情況看，原設計方案可能導致項目工期極大延緩，不能保證項目的順利推進。方案變更后，施工方案更靈活，可以確保工程順利完成項目施工。

3.4.3 防洪評價

通過阻水和壅水分析計算成果，該項目在P=10%頻率洪水條件下，橋墩最大阻水比為7.39%，最大壅水高度為0.01 m，影響河長350 m，壅水高度較小，對河道行洪影響有限，不會影響河道原有的過洪能力；項目建設占用的河道面積較小，項目建成后對河床的沖刷淤積影響在經過河道一般時間的運行后會達到沖淤平衡。工程建設過程對河流的水動力、河道的河勢穩定基本無影響；并且項目采用高立交形式跨過河道兩岸，橋梁建設也基本不會對防汛搶險產生較大影響。

3.4.4 項目成本

變更后空心薄壁墩方案相比原設計方案在機械投入成本、模板投入成本、材料投入及勞務成本分別縮減101.3 萬元、61.4 萬元、283.4 萬元以及98 萬元，降低了67.3%、36.5%、36.9%和43.5%，總成本減少544.1 萬元，減幅達到41.5%，工程成本顯著減少。

3.4.5 項目投資

變更后空心薄壁墩方案相比原設計方案在建安費減少380.6 萬元，減幅達到31.3%，業主對方案優化的結果較為滿意，同時項目部也獲得了業主的贊許。

4 結論

流田水大橋跨防洪河道雙肢薄壁扭轉墩方案不僅提前高質量竣工，從中獲得較好的經濟效益，同時為業主節省了建造成本。

該文從施工工期、施工環境條件和施工投資成本等方面，比選了雙肢薄壁扭轉墩和空心薄壁墩方案，通過對結構受力、截面特性、經濟性、施工難易性等方面進行綜合驗算對比分析，結果表明等截面薄壁墩具有更好的結構受力、更高的穩定性系數，結合孔跨組合、承臺形狀調整、樁基布置調整、泄洪斷面補償等輔助優化措施，能夠較好地解決跨防洪河道橋墩軸線與水流交角、防洪阻水率等難題，具有較好的安全性、經濟性、適用性。