異形大跨連續剛構橋的設計與研究

摘要 由于受互通路線、管廊帶、地方道路等諸多外部條件限制，文章采用跨徑不對稱、短邊跨、斷面變寬的異形大跨連續剛構橋，為研究其力學性能，通過有限元建模方法，對施工過程及運營階段的橋梁結構進行了受力分析。結果表明：橋梁結構的承載力、應力、撓度均滿足規范要求。由此可見，通過特殊設計的橋梁可以適應復雜的建設環境，并且經濟適用、便于施工，可為類似工程的設計與施工提供參考經驗。

關鍵詞 大跨連續剛構；非對稱結構；短邊跨；變寬斷面

中圖分類號 U448 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0013-03

0 引言

連續剛構橋具有剛度大、結構變形小、伸縮縫少、行車舒適、抗震性能好、維修養護簡便等優點，在主跨跨徑60～250 m[1]范圍內具有較大的應用優勢。大跨度變截面連續剛構橋一般設置于路線直線或者大半徑曲線段，斷面一般為等寬度。根據已建橋梁的數據統計情況，連續梁合理的邊中跨比一般為0.5～0.8。但是近些年來，隨著工程建設條件的復雜化，常規的設計越來越難以滿足外部的控制性條件要求。該文依托的大跨變截面連續剛構橋整段位于互通區，由于管廊、地面道路等限制，跨徑布置為71 m+126 m+58 m，兩個邊跨跨徑相差較大，小樁號側邊跨位于變寬段，大樁號側的邊中跨比為0.46，均為特殊情況，需要進行針對性設計，以確保項目建設成功。該文對復雜異形大跨變截面連續剛構結構進行設計并分析了計算結果，為以后類似條件下的工程建設提供依據和參考經驗。

1 項目概況

依托工程橋梁位于某高速主線的互通區段，主橋為三跨連續剛構，總長255 m，寬度由22.67 m漸變至25.65 m。該段橋梁墩位必須完全避開管廊帶、互通匝道以及地方市政道路，并與管廊帶保持一定的安全距離，且不宜在管廊帶范圍內搭設支架。橋梁設計荷載采用公路-Ⅰ級，橋梁抗震設防類別為B類。

2 主橋結構尺寸設計

2.1 上部結構尺寸

（1）主梁梁高

主梁梁高設計主要取決于邊跨、中跨的跨中最大正彎矩，以及主墩支點的最大負彎矩[2]。按照以往設計經驗和已建工程的統計資料，連續剛構橋主梁根部高度通常取L/16～L/18[1]，該次設計采用較大值L/16，取整后根部梁高度定為8 m。跨中高度通常取L/40～L/60[2]，該次設計采用較大值L/40，取整后跨中梁高度定為3.2 m。梁底曲線一般設置為1.6～2次拋物線，該次設計采用較大值1.6次拋物線。通過梁高和梁底曲線的設計，確保異形大跨連續剛構橋混凝土應力不超限。

（2）主梁斷面

梁部結構采用單箱三室直腹式箱梁，頂板22.676～25.648 m，箱梁懸臂長2.5 m，底板寬為17.676～20.648 m。頂板厚度為0.28 m，靠近橫隔板處局部加厚。腹板厚度：0.5～0.7 m，靠近橫隔板處局部加厚。底板厚度：根部1 m、跨中0.3 m，其間各段按1.6次拋物線變化。橫隔板：在主墩位置處主梁橫向設置2道，寬1.2 m，凈距為3.6 m；邊墩墩頂位置處設置1道，小樁號側寬2 m，大樁號側寬3 m，并在大樁號側澆筑鋼砂混凝土進行壓重。主梁采用C55混凝土，中支點斷面構造見圖1所示：

（3）主梁節段劃分

將小樁號側T構箱梁縱向節段劃分為17個節段，其中0#塊長12 m，1#塊長3 m，2～7#塊長3.5 m，8～16#塊長4 m，17#塊邊跨側長4.9 m，中跨側長4 m；大樁號側T構箱梁縱向節段劃分為13個節段，其中0#塊長12 m，1#塊長3 m，2～7#塊長3.5 m，8～13#塊長4 m，14#塊邊跨側長3.9 m。設置中跨合龍段18#塊長2 m。

2.2 預應力體系

采用三向預應力體系布置，三向預應力設置頂板束、腹板束、中跨底板、頂板合龍束、邊跨底板、頂板合龍束共6種。鋼束類型共分為五種，即11Φs15.2、13Φs15.2、15Φs15.2、17Φs15.2和19Φs15.2，預應力鋼束管道成孔采用塑料波紋管。鋼束錨下張拉控制應力為1 395 MPa，邊跨頂底板束采用單端張拉、其余均采用兩端張拉方式。橫向預應力束：采用3Φs15.2，縱向布置間距為0.5 m，鋼束錨下張拉控制應力為1 395 MPa，單端交錯整體張拉，管道成孔采用扁形塑料波紋管，固定端采用P形錨。豎向預應力束：采用4Φs15.2，縱向布置間距為0.5 m，鋼束錨下張拉控制應力為1 395 MPa，單端張拉，管道成孔采用扁形塑料波紋管，固定端采用P形錨。橫梁預應力束：采用15Φs15.2，鋼束錨下張拉控制應力為1 395 MPa，兩端張拉，管道成孔采用扁形塑料波紋管。

2.3 下部結構尺寸

邊墩：采用柱式墩，蓋梁采用高低蓋梁，蓋梁高度為2.2 m，坡度為平坡，墩柱采用2 m×2 m矩形柱，單個承臺尺寸為6.8 m×3 m×2.5 m；小樁號側樁基采用端承樁，大樁號側樁基采用摩擦樁，直徑均為1.5 m。中墩：采用雙壁墩，橫橋向墩寬與箱梁底板一致，壁厚1.2 m，凈距為3.6 m，承臺縱橋向尺寸為12 m，橫橋向尺寸為18.676 m，高度為3.5 m，小樁號側樁基采用端承樁、大樁號側樁基采用摩擦樁，直徑均為1.8 m。薄臂主墩編號沿樁號方向編號依次為1-1、1-2、2-1和2-2。

3 施工方案

該橋上部結構施工方法：0#梁段以及兩個邊跨在托架和支架上現澆，中跨合龍段在吊籃上現澆，中跨采用掛籃懸臂澆筑，結構施工流程如下：

（1）邊跨搭設支架并進行支架預壓以消除非彈性變形；在主墩兩側搭設臨時支撐鋼管，立模澆筑0#塊件。

（2）在0#塊件上拼裝調試好掛籃，進行掛籃預壓，消除掛籃的非彈性變形，實測掛籃的彈性變形值，確定立模標高；中跨懸澆1#塊件、邊跨支架現澆1#塊件，張拉對應鋼束；依次循環，澆筑2～13#塊件，張拉對應鋼束。

（3）小樁號側T構箱梁繼續依次循環澆筑至17#塊件，大樁號側T構箱梁邊跨澆筑14#塊件，進行邊跨合龍。

（4）中跨合龍前，對中跨合龍段兩側進行合理壓重。

（5）拆除邊跨支架，完成體系轉換；安裝中跨合龍段吊架，并在吊架內安裝內、外剛性支撐；同時卸載中跨合龍段吊架、剛性支撐部分的對應壓重；臨時張拉部分鋼束；澆筑中跨合龍段，并同步卸載中跨合龍段的兩側壓重；混凝土強度達到設計要求后，張拉中跨所有連續束到位；完全拆除兩側支架。

（6）現澆箱梁封錨混凝土；安裝相鄰跨梁，安裝伸縮縫；現澆護欄座及防撞墻，進行橋面防水層鋪設及橋面鋪裝。

4 有限元分析

4.1 計算模型離散圖

采用橋梁博士軟件對全橋縱向體系進行靜力分析。按照實際的節段設置及施工工序，對全橋上部結構進行建模，全橋結構共劃分為158個單元，施工工序分為66個施工階段和1個運營階段，結構離散圖見圖2。

4.2 施工階段受力分析

T構箱梁在正常狀態下進行對稱澆筑，同一橋墩下的兩片薄壁墩，受力應該相近；當兩片薄壁墩受力不同時，證明T構箱梁承受的力不平衡。由于該項目橋梁結構尺寸的不對稱性，應對邊、中跨采用不同的施工方法，最大懸臂狀態下T構箱梁承擔較大的不平衡力，這部分力需要剛構橋墩進行承擔。詳細計算結果見表1所示。

通過計算分析，主梁和主墩結構全截面受壓的應力值滿足規范[3]要求。通過對比同一主墩兩個薄壁墩的應力差異情況，得知懸臂施工時基本處于平衡狀態。通過中跨合龍前主墩的應力差異，小樁號T構箱梁澆筑17#塊件時，基本能維持平衡狀態，但大樁號T構箱梁由于只有邊跨側有14#塊件，不平衡差距一個節段，所以導致了2-2墩的應力明顯大于2-1墩，不平衡的幅度明顯大于小樁號T構箱梁。隨著中跨合龍后二期的荷載施加，主梁應力略微降低，主墩最大應力有所增加。

4.3 運營階段受力分析

通過計算分析，主橋正截面、斜截面抗彎承載力均滿足規范要求。正常使用狀態下，全橋未出現拉應力，截面均為壓應力，正截面抗裂滿足全預應力混凝土構件指標要求，最大主拉應力為0.9 MPa≤0.4 fck=1.1 MPa，符合要求。在標準效應組合下，最大壓應力峰值達16.2 MPa，最大壓應力≤0.5 fck=17.8 MPa，梁體最大主壓應力為16.2 MPa，主壓應力≤0.6 fck=21.3 MPa，均滿足規范要求。該橋的豎向撓度最大值為15.8 mm，小于計算跨徑的126 000/600=210 mm，撓度驗算滿足要求。對全橋支座進行脫空計算，未發生支座脫空現象。詳細計算情況見表2～4所示：

5 結語

（1）對于異形的大跨連續橋梁結構，懸臂對稱施工時，通過合理的施工階段劃分和構造設計減少不平衡力的影響，通過合理的橋墩構造設計或臨時固定措施設計分擔不平衡力的影響。

（2）由于外部條件限制，需要設置短邊跨的大跨連續橋梁結構，通過特殊的施工節段劃分、構造設計、預應力鋼束的配置解決短邊跨的受力，采用加寬端橫梁或者澆筑壓重鋼砂混凝土提高短邊跨側的支座反力，以防支座脫空。

（3）異形大跨連續剛構橋懸臂施工時，應根據建設條件采用掛籃或支架現澆節段施工，當中跨和邊跨采用不同的施工工藝時應注意計算施工荷載引起的不平衡力。

（4）該橋通過精心設計，符合技術先進、安全可靠、耐久適用、經濟合理等橋梁設計原則，滿足了跨越管廊區和交通道路等要求，具有較好的經濟效益和社會效益，可為類似條件下的工程建設提供依據和參考經驗。

參考文獻

[1]曲春升，陸從飛，彭運動.山區大跨連續剛構橋設計思路探討[J].公路，2017（11）：88-90.

[2]何承珩，王伊慧，黃鑫.大跨Y型墩連續剛構橋設計[J].城市道橋與防洪，2023（4）：86-89+16.

[3]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG 3362—2018[S]．北京：人民交通出版社，2018.