大跨徑多孔空腹式連續剛構橋設計及施工關鍵技術

張謙

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 引言

隨著我國橋梁建造技術的高速發展，各種結構形式的橋梁早已遍布江河湖海。其中預應力混凝土連續剛構橋作為一種古老的結構體系，由于具有受力性能好、結構剛度大、行車平穩舒適、后期養護簡單等特點，在高速公路橋梁建設中得到了廣泛應用。一般情況下，預應力混凝土連續剛構橋主跨不超過200m，突破該跨徑后，自重引起的彎矩占比不斷增大，結構承載效率顯著降低，技術風險增加，且跨中梁體過度下撓問題突出，易誘發腹板斜向裂縫和頂底板縱橫向裂縫等橋梁病害[1]。

表1 典型大跨剛構主跨下撓量

若要進一步提升預應力混凝土連續剛構橋的跨越能力，從結構體系上予以優化是一種直接且高效的方式。一種思路是采用鋼－混結構，即在跨中一定梁長范圍內采用輕質高強的鋼箱替代混凝土梁，這樣可有效減小恒載彎曲效應，降低主梁根部彎矩，提升跨越能力。但鋼－混結構的缺點在于結合部位的構造與受力較為復雜，工程造價增加。

另一種思路是，借鑒拱橋傳力模式，形成拱梁組合受力體系，即空腹式連續剛構橋。預應力混凝土空腹式連續剛構橋主要由橋墩、空腹段上弦、空腹段下弦、實腹段箱梁四部分組成[2]。空腹段上下弦與橋墩形成閉環三角區，上弦為預應力混凝土偏心受拉構件，下弦和橋墩為混凝土偏心受壓構件。該體系可以充分發揮混凝土抗壓強度高的優勢，挖空的三角區可有效減小跨中實腹段長度、節省材料、降低自重，提高結構承載效率，從而實現跨越能力的提升。

圖1 鋼－混結構體系示意

圖3 主橋橋型總體布置圖（m）

2 工程實例

2.1 項目概況

六枝特大橋位于構造侵蝕—溶蝕中山地貌區，地震動峰值加速度為0.10g，設計地震分組為第二組，地震動反應譜特征周期為0.40s。主橋橫跨北北西的老鴉河谷，河谷呈U 字形，河床寬度在50m～70m，兩岸均未見階地，流量暴漲暴落，屬典型山區峽谷河流特征，不具備通航條件。兩岸谷坡地形較陡，呈35～65°自然坡角。

主橋上構采用預應力混凝土空腹式連續剛構箱梁，橋跨布置為166m+3×320m+166m，單幅橋寬16.55m。

6～9 號主墩采用變截面空心雙肢薄壁墩，5 號過渡墩采用變截面空心薄壁墩、10 號過渡墩采用等截面空心薄壁墩，樁基礎均采用鉆孔灌注樁[3]，總體布置如下。

2.2 結構設計

主梁采用C60 混凝土，墩頂處高40.5m，跨中處高5.0m，底緣線采用2.5 次拋物線。下弦斜腿部分為箱型等截面，梁高8.0m，寬8.5m，頂板厚0.8m，底板厚1.0m，腹板厚0.95m。上弦采用單箱單室截面，標準斷面梁高6.5m，兩側懸臂長4.025m，懸臂端部厚0.2m，根部0.80m，頂板厚0.32m，底板厚0.32m，腹板厚0.95m；上弦設六個節段通過二次拋物線過渡到梁高8m，與下部斜腿交匯形成整體。

圖4 空腹段上弦斷面（cm）

圖5 空腹段下弦斷面（cm）

主橋上部結構采用三向預應力，按全預應力混凝土構件設計，全部采用φs15.2的鋼絞線，搭配金屬波紋管。

主墩采用C60 混凝土，墩高分別為163m、145m、163m 和106（91）m，變截面空心雙肢薄壁墩，順橋向6m，壁厚1.0m，橫橋向由9.1m 按1%坡度變寬至墩底，壁厚1.25m。

圖6 主墩標準斷面（cm）

2.3 主要計算結果

利用MIDAS 建模，采用平面桿系有限元計算方法對全橋結構進行動靜力驗算。對于主橋墩柱、箱梁、斜腿、臨時塔等，采用梁單元模擬，臨時扣索則采用桁桿單元模擬，離散后的空間模型如圖7所示。

圖7 施工和成橋狀態下離散模型

主要計算結果如下：

（1）實腹段箱梁正截面抗彎、斜截面抗剪承載力，以及空腹段上弦偏心受拉、下弦偏心受壓承載力均滿足要求。

（2）頻遇組合下，實腹段箱梁、上弦和下弦均未出現拉應力，正截面抗裂驗算滿足要求。主梁最大主拉應力0.026Mpa，斜截面抗裂符合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTG 3362-2018 中σtp≤0.4ftk=1.14MPa 規定。

（3）標準值組合下，實腹段箱梁和上弦上緣最大壓應力為-18.25MPa，下緣最大壓應力為-16.05MPa，滿足規范規定的σkc+σpt≤0.5fck=19.25MPa 要求。實腹段箱梁和上弦最大主壓應力為-18.25MPa，符合規范σcp≤0.6fck=23.1MPa 的規定。

（4）主跨活載(汽車)頻遇值產生最大豎向向下位移為6.31cm，考慮長期增長系數1.4 后位移為8.83cm，δ/L ＝1/3622<1/600，剛度驗算滿足要求。

（5）主墩偏心受壓承載能力滿足要求，頻遇組合下，最大裂縫寬度0.167mm，小于規范限制0.2mm。

圖8 內力、應力及撓度驗算圖

3 臨時索張拉力設置與拆除時機

大橋三角區采用雙層掛籃雙層扣掛法施工，即在主墩墩頂設置臨時鋼索塔，利用上弦掛籃懸澆上弦梁段，張拉臨時拉索；利用下弦斜向行走掛籃澆筑下弦梁段，張拉臨時扣索；并保持上弦滯后下弦2 個施工節段，直至匯合段[4]。

圖9 三角區施工示意

該施工方法優點在于上下弦施工相對獨立，工程質量易控制，施工風險小，工期短。其施工控制的關鍵點在于對下弦扣索與上弦拉索張拉力的確定，以及二者拆除時機[5]。

通過建模分析，發現施工階段主梁最大拉、壓應力均出現在空腹段三角區，下弦根部和交匯處截面下緣容易出現較大拉應力，而上弦1#～2#節段則易出現較大壓應力，下圖顯示了在不同扣索力和拉索力下三角區的最大應力值變化趨勢，壓力取負值，拉力取正值。

圖10 施工階段下弦索力對三角區應力影響

圖11 施工階段上弦索力對三角區應力影響

可見臨時扣索（拉索）張拉力對空腹段三角區受力影響很大。扣索（拉索）與斜拉橋的斜拉索有相似之處，都可以通過調整索力改善關鍵位置結構受力，不同之處在于，空腹式剛構橋結構自重和剛度較大，臨時扣索（拉索）可調節內力幅值有限，數據顯示有效影響范圍僅限于三角區，對于匯合段之外的實腹段內力及變形影響非常小。

因此，確定扣索（拉索）張拉力的原則應該是保證施工時三角區的穩定性以及上下弦拉、壓應力不超過規范限值。六枝河特大橋下弦扣索（X1～X13）索力范圍在2200～2500kN，上弦拉索（S1～S12）索力范圍在2000～2700kN，施工階段最大拉應力為0.7MPa，最大壓應力為-15.9MPa，穩定系數9.0，滿足規范要求。

圖12 施工階段三角區一階屈曲模態

針對上弦拉索拆除時機問題，共設五個工況進行研究分析，即分別考慮在匯合段外第15#、20#、25#、30#、35#節段予以拆除，相關數據詳見表2，壓力取負值，拉力取正值，撓度向上為正，向下為負。

表2 不同工況主梁應力及變形（MPa，mm）

研究結果表明：

（1）拉索拆除的時機對運營狀態下結構受力和變形影響較小，對施工階段的影響較大。

（2）在施工階段下，隨著拆除時間推遲，三角區拉應力逐漸由3.4Mpa 減小到1.0Mpa，而壓應力在30#節段以前，并無明顯變化。同時注意到，施工階段最大拉應力出現在交匯處下緣，最大壓應力出現在上弦1#～2#節段上緣或下緣。

（3）在運營階段下，隨著拆除時間推遲，結構最大拉應力由0.2Mpa 逐漸減小為-0.2Mpa 壓應力，且25#節段后保持不變，最大拉應力出現在次邊跨31#節段上緣；最大壓應力始終為-18.3Mpa，出現在次邊跨25#節段下緣。

（4）成橋狀態下，中跨、次邊跨和邊跨的跨中撓度變化幅值較小。

可見，延后拆除上弦拉索對結構受力是有利的，但考慮到施工過程中，施工設備、材料堆放、人員通行等往往受到上弦拉索和臨時塔的限制，又需要盡可能早地將其拆除。因此，確定上弦拉索拆除時機的原則應該是保證施工時三角區的應力水平合理，同時又不影響后續施工，達到二者平衡。六枝河特大橋最后確定為30#節段施工完成后拆除上弦拉索及臨時塔。

下弦臨時扣索對結構受力和穩定有利，且不影響懸澆段施工，因此考慮在合龍完成之后再予以拆除。

4 合龍順序分析

大跨徑多孔空腹式連續剛構橋的合龍順序在整個施工過程中占有重要地位，因合龍順序的不同，結構在混凝土收縮徐變和溫度效應的作用下會產生較大的內力差別，且成橋線形與之關聯較大。六枝特大橋按照順橋向可依次劃分為邊跨、次邊跨和中跨，詳見圖3。

根據國內外相關研究，并結合現有的常規施工方案，本橋共設定三種合龍工況進行分析[6～7]，見表3。

表3 合龍工況劃分

4.1 成橋應力分析

通過建模計算，將具有代表意義的截面上下緣應力匯總如下，壓力取負值。

表4 成橋狀態下主梁應力（MPa）

結果表明：

主梁應力受合龍順序影響較小；在三種合龍工況下，結構均處于全截面受壓狀態，壓應力儲備良好。

4.2 成橋線形分析

將成橋狀態下，三種工況對應的主梁撓度（僅考慮恒載）匯總，如圖13所示，撓度向上取正，向下取負。

圖13 成橋狀態下主橋撓度值

可見三種工況下，主梁撓度變化規律大致相同，即跨中大，墩頂小，符合基本力學常識。但合龍段撓度值存在較大差異，找出不同合龍順序下合龍段最大撓度值，見表5。

表5 成橋狀態下合龍段最大撓度值（mm）

數據顯示：

合龍順序對合龍段累積線形撓度有較大影響，工況三的絕對撓度值最大，工況二撓度值較為平均，工況一邊跨合龍段撓度值最小。

最早施工的合龍段撓度值也相應最小，這是由于先合龍的橋跨在后續施工過程中可以發生變形而抵消掉一部分預應力等引起的上拱。

另一方面，由于合龍順序影響成橋線形，因此施工階段各節段的立模標高也需隨之調整，設置相應的預拱度，減小合龍段兩側的標高差，確保主橋順利合龍。

由表6數據可知，工況一合龍段兩側的位移差值相對較小，最有利于施工控制。

表6 合龍段兩側位移差值（mm）

綜上，通過對比三種合龍順序下結構的應力和撓度，六枝特大橋最終合龍方案確定為邊跨—次邊跨－中跨，該方案結構受力合理，線形較好，施工控制最為有利。施工時若因為其他原因更改合龍方案，則需要相應調整合龍段預應力、頂推力和預拱度，以保證大橋受力和線形滿足設計要求。

5 結語

本文依托六枝特大橋實際工程案例，對大跨徑多孔空腹式連續剛構橋的結構設計和施工等關鍵技術問題進行研究和探索。文中提供了詳細的設計和計算數據，為同類型橋梁的關鍵構造設計、大橋施工控制提供了很好的借鑒，一定程度上推動了這種在200～400m 跨徑極具競爭力的新型橋梁結構的應用與發展。