山區(qū)跨河異形短邊跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

姜興洪

（四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

俞家村一組大橋是四川省2021-2023 年農(nóng)村鐵索橋改公路橋?qū)ｍ?xiàng)推進(jìn)方案重點(diǎn)工程，大橋位于廣元市朝天區(qū)朝天鎮(zhèn)，跨越嘉陵江，項(xiàng)目起點(diǎn)接S410 線，終點(diǎn)接三灘村既有道路。該項(xiàng)目的建設(shè)改善了三灘村村民通過鐵索橋和渡口出行不便的現(xiàn)狀，為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和完善交通網(wǎng)絡(luò)起著重要作用。

該項(xiàng)目按照引道四級(jí)公路（Ⅱ類）標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，橋梁按照三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。本文對(duì)山區(qū)跨河異形短邊跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新進(jìn)行介紹。

1 異形剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-I 級(jí)；設(shè)計(jì)行車速度為30km/h；設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100；通航等級(jí)為Ⅶ級(jí)通航（雙向通航孔通航凈寬32m，通航凈高4.5m）；抗震設(shè)防烈度為7度；地震動(dòng)峰值加速度為0.15g；橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度為8m，兩個(gè)邊跨橋梁寬度從8m過渡到20m，雙向兩車道。

1.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

俞家村一組大橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋[1]，跨徑布置為（35+75+35）m，邊中跨比為0.467。橋梁立面和平面布置如圖1、圖2 所示，橫斷面圖如圖3 所示。

圖1 俞家村一組大橋立面布置（單位：m）

圖2 1/2俞家村一組大橋平面圖（單位：cm）

圖3 俞家村一組大橋橫斷面圖（單位：cm）

箱梁縱橋向?yàn)槿A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁零號(hào)塊長(zhǎng)度為9.00m，主跨懸臂施工梁段數(shù)及梁段長(zhǎng)度從零號(hào)梁段根部至跨中分別為4×3.0m、5×4.0m，邊跨支架現(xiàn)澆施工梁段數(shù)及梁段長(zhǎng)度從零號(hào)梁段根部至邊跨端頭分別為3×6.0m、1×12.46m。主跨采用單箱單室箱形直腹板截面，邊跨1′現(xiàn)澆塊和2′現(xiàn)澆塊采用單箱單室箱形截面，箱梁頂板寬8m，底板寬5m，外翼緣懸臂長(zhǎng)1.5m，3′現(xiàn)澆塊采用單箱單室箱形截面，箱梁頂板寬8~8.45m，底板寬5~5.42m，外翼緣懸臂長(zhǎng)1.5~1.52m，4′現(xiàn)澆塊采用單箱單室過渡到單箱三室箱形截面，箱梁頂板寬8.45~20.0m，底板寬5.42~15.3m，外翼緣懸臂長(zhǎng)1.52~2.03m。箱梁頂板設(shè)置成2%雙向橫坡。箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高2.4m（箱梁高度均以箱梁截面中心高度為準(zhǔn)），橋墩與箱梁相接的根部斷面及墩頂零號(hào)梁段高為4.5m。從箱梁根部至跨中合攏段，箱梁梁高以二次拋物線變化。箱梁腹板在墩頂范圍內(nèi)厚70cm，腹板從根部到跨中及邊跨現(xiàn)澆段按70cm、50cm2種厚度設(shè)置。箱梁底板厚除零號(hào)梁段為80cm 外，其余各梁段底板從箱梁零號(hào)塊端部截面的80cm 厚按二次拋物線漸變至跨中合攏段截面的30cm。主橋在兩個(gè)主墩墩頂各設(shè)兩道2.00m厚的橫隔板。

主橋邊跨采用支架分段現(xiàn)澆施工，主跨采用懸臂掛籃施工，施工步驟如圖4 所示。懸臂澆注梁段最大控制重量75.5t，掛籃設(shè)計(jì)自重以32t 控制。全橋共設(shè)1個(gè)合攏龍段，中跨合攏段長(zhǎng)度為2.00m。

圖4 施工步驟圖

主梁設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，未設(shè)置橫橋向預(yù)應(yīng)力鋼束和豎橋向預(yù)應(yīng)力鋼束。頂板束、腹板束和底板束均采用15~15.2規(guī)格，預(yù)應(yīng)力總體布置如圖5所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼束總體布置圖

1.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主墩采用鋼筋混凝土空心薄壁墩，鉆孔灌注樁承臺(tái)基礎(chǔ)。薄壁墩厚2.00m，寬5m，壁厚0.5m，采用翻模法或滑模法施工。承臺(tái)厚2.7m，長(zhǎng)6.5m，寬6.5m，采用鋼板樁圍堰施工。每個(gè)橋墩樁基為4根嵌巖樁，直徑為1.5m，采用鋼護(hù)筒鉆孔灌注施工，樁基間距縱向4m。兩岸橋臺(tái)均采用樁柱式橋臺(tái)，每個(gè)橋臺(tái)設(shè)置4 根樁基，樁基直徑1.5m。0號(hào)橋臺(tái)和3號(hào)橋臺(tái)均采用嵌巖樁設(shè)計(jì)。

橋梁與橋臺(tái)之間設(shè)置聚氨酯填充式無縫伸縮縫PUTF-80 型號(hào)，橋梁邊跨采用圓形滑板橡膠支座（GBZYH550×153(CR)）。

2 設(shè)計(jì)理念

項(xiàng)目所在地為典型依山傍水的山區(qū)沿河地形，跨徑布置時(shí)受既有交通線路和保護(hù)區(qū)限制，既有交通為兩岸分別布置既有省道和運(yùn)營(yíng)寶成鐵路線，限制了橋梁總長(zhǎng)不超過147m；嘉陵江河中為蜀道劍門風(fēng)景名勝區(qū)核心區(qū)，核心區(qū)內(nèi)不能設(shè)墩，確定主跨不小于75m。

橋型選擇時(shí)，懸索橋、斜拉橋既不具有經(jīng)濟(jì)性，也無施工條件，現(xiàn)場(chǎng)無大型吊車作業(yè)條件，該區(qū)段河流枯水季水位較低，有通航規(guī)劃但無通航運(yùn)輸條件，因此懸索橋和斜拉橋方案不可行；其次考慮拱橋，嘉陵江在該河段河道較窄，洪水水位較高，項(xiàng)目工期要求橋梁需在一個(gè)枯水期內(nèi)施工完成，現(xiàn)場(chǎng)無扣塔體系布置條件，且鋼管樁支架施工風(fēng)險(xiǎn)較高，因此拱橋方案不可行；最后考慮梁橋，主跨75m 采用鋼箱梁時(shí)方案可行，但75m 鋼箱梁無運(yùn)輸和吊裝條件；采用變高連續(xù)梁時(shí)，由于邊中跨比只有0.467，施工期由于結(jié)構(gòu)非對(duì)稱，施工風(fēng)險(xiǎn)極大，因此考慮墩梁固結(jié)，最終橋型和跨徑布置確定了小邊中跨比的（35+75+35）m連續(xù)剛構(gòu)，邊中跨比為0.467。

為平衡主跨自重和將路基上無條件布置的平交口移動(dòng)到橋上，邊跨采用變寬變箱“大變寬喇叭形”箱梁，由單箱單室變?yōu)閱蜗淙遥瑯蛎鎸挾扔?m 增加至20m，在變箱處設(shè)置橫隔板提高梁體抗扭剛度。

由于邊中跨比小于0.5，因此邊跨無法設(shè)置合攏段，全橋僅有一個(gè)合攏段，即跨中合攏段。邊跨為“大變寬喇叭形”箱梁，掛籃施工困難較大，充分利用邊跨地形為緩坡的優(yōu)勢(shì)，采用大鋼管樁支架體系進(jìn)行分段支架現(xiàn)澆，為避免主跨掛籃懸澆不平衡傾覆并避免過大配重，施工考慮邊跨分段支架現(xiàn)澆先于主跨懸澆。

橋上護(hù)欄采用混凝土矮基座+鋼管組合護(hù)欄形式，為SB 級(jí)護(hù)欄；20m 長(zhǎng)伸縮縫采用聚氨酯填充式無縫伸縮縫PUTF-80型，減少后期養(yǎng)護(hù)成本。

3 異形結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 建立計(jì)算模型

相比于常規(guī)設(shè)計(jì)的連續(xù)剛構(gòu)橋而言，異形非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、非對(duì)稱施工、變寬變箱的連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力配置與計(jì)算分析是影響工程成敗與否的關(guān)鍵因素。因此，該項(xiàng)目采用Midas Civil2021 軟件建立空間桿系有限元模型進(jìn)行全橋靜力分析，模型離散為84 個(gè)單元，95 個(gè)節(jié)點(diǎn)，考慮施工順序，建立41 個(gè)施工階段。空間桿系模型如圖6所示。

圖6 橋梁有限元模型

3.2 計(jì)算荷載取值

（1）橋梁結(jié)構(gòu)安全等級(jí)按一級(jí)考慮，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1；

（2）懸臂施工掛籃重量按32t考慮；

（3）中跨合龍考慮600kN頂推力；

（4）汽車荷載按公路-I級(jí)的加載；

（5）汽車制動(dòng)力按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2014）采用2車道計(jì)算[2]；

（6）設(shè)計(jì)參數(shù)：混凝土重力密度γ=26.0kN/m3，彈性模量為Ec=3.45×104MPa；瀝青混凝土重力密度γ=24kN/m3；

（7）混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018）取值計(jì)算[3]；

（8）預(yù)應(yīng)力彈性模量Ep=1.95×105MPa，松馳率ρ=0.035，松馳系數(shù)ξ=0.3；

（9）墩臺(tái)不均勻沉降值取1cm；

（10）溫度作用：根據(jù)氣象資料，全橋結(jié)構(gòu)體系溫差取+25℃、-20℃，溫度梯度作用取值為：

正溫度梯度：14℃，5.5℃，0℃；

負(fù)溫度梯度：-7.0℃，-2.75℃，0℃。

3.3 主要計(jì)算結(jié)果

3.3.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

箱梁正截面抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果和抗剪承載力驗(yàn)算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果

表2 抗剪承載力驗(yàn)算結(jié)果

由表1和表2驗(yàn)算結(jié)果可知，主梁強(qiáng)度驗(yàn)算滿足要求。

3.3.2 正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)下，正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果如表3所示，斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果如表4所示。

表3 頻遇組合下正應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

表4 頻遇組合下主應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

由表3和表4結(jié)果可知，正應(yīng)力和主應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

梁體長(zhǎng)期撓度增長(zhǎng)系數(shù)為1.425，荷載短期效應(yīng)組合作用下，梁體長(zhǎng)期撓度值消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度值考慮增長(zhǎng)系數(shù)后為16.1mm×1.425=22.9mm＜75000/600=125mm，箱梁剛度滿足規(guī)范要求。

3.3.3 持久狀況和短暫狀況

對(duì)于持久狀況構(gòu)件應(yīng)力，標(biāo)準(zhǔn)組合下箱梁法向壓應(yīng)力最大值為11.2MPa＜16.2MPa，最大主壓應(yīng)力11.1MPa＜19.44MPa，最大預(yù)應(yīng)力鋼束拉應(yīng)力1204 MPa＜1209MPa，滿足規(guī)范要求。對(duì)于短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力，最大壓應(yīng)力10.5MPa<18.144MPa，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

俞家村一組大橋在項(xiàng)目受地形地勢(shì)、投資規(guī)模、行洪通航、風(fēng)景名勝區(qū)和既有交通狀況等多方面因素影響，導(dǎo)致路線選線條件受限的情況下，經(jīng)過設(shè)計(jì)創(chuàng)新，最終選擇跨徑布置為（35+75+35）m 的非對(duì)稱施工變寬變箱異形連續(xù)剛構(gòu)橋，經(jīng)有限元計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)受力合理，滿足規(guī)范的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)了橋梁經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境協(xié)調(diào)性、施工方便性。該橋預(yù)計(jì)2023 年年底前合龍，可為類似橋梁設(shè)計(jì)提供參考。