不對(duì)稱(chēng)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題研究

羅 強(qiáng)

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙 410008)

1 工程概況

舞陽(yáng)河特大橋是貴州省思南至劍河高速公路上一座典型的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋。橋位區(qū)受地形地貌、地質(zhì)條件控制，在經(jīng)過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、美觀等多方面充分論證后，大橋主橋采用115 m+2×180 m+100 m(115 m)的預(yù)應(yīng)力混凝土雙肢薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)，其橋型總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋型總體布置圖(單位:cm)

2 高度不對(duì)稱(chēng)的三個(gè)主墩剛度匹配研究

舞陽(yáng)河特大橋跨徑達(dá)到180 m，最大墩高達(dá)120 m。由于地形、地質(zhì)的原因，使得大橋三個(gè)主墩高度分別為100、120、60 m，最高墩是最矮墩高度的2倍。為了使三個(gè)主墩的剛度較好地匹配，需要分別設(shè)計(jì)三個(gè)主墩的截面尺寸。該橋三個(gè)主墩均采用等截面矩形雙肢薄壁空心墩，所以三個(gè)主墩的剛度問(wèn)題就歸結(jié)為a、b、c、s四個(gè)參數(shù)的確定。見(jiàn)圖2。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及施工方便的原則，初步擬定三個(gè)主墩的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

按照擬定的三個(gè)主墩的設(shè)計(jì)參數(shù)建模，施工方案為常規(guī)的對(duì)稱(chēng)懸澆施工。由于大跨連續(xù)剛構(gòu)跨中下?lián)系葐?wèn)題比較突出，初步擬定了1 500 kN的合龍反頂力。運(yùn)用橋梁博士3.1版本計(jì)算，按照控制截面單元號(hào)的位置及最不利工況下截面受拉的性質(zhì)(粗黑色區(qū)域?yàn)槭芾奈恢?繪成示意圖3。

圖2 矩形截面空心墩截面參數(shù)

表1 初步擬定的主墩參數(shù)表

圖3 控制截面單元示意圖

分析計(jì)算結(jié)果及圖3可得:

1)墩柱控制截面的位置均為墩頂或墩底。

2)墩柱控制截面的最不利工況均為最大彎矩(或最小彎矩)下所對(duì)應(yīng)的內(nèi)力組合。

3)3號(hào)墩控制截面為195號(hào)單元，4號(hào)墩的控制截面為227號(hào)單元，5號(hào)墩的控制截面為303號(hào)單元。

4)3號(hào)墩195、226號(hào)單元，5號(hào)墩303號(hào)單元的抗力均小于結(jié)構(gòu)內(nèi)力，b值需要調(diào)整。

由力學(xué)常識(shí)可知，b值增大，則截面抗彎剛度增大，而所分配的彎矩也會(huì)隨之增加，故通過(guò)定性分析不能確定b值。下面就以b值為400、420、300 cm的截面尺寸組合(組合二)作為3、4、5號(hào)主墩的起算截面進(jìn)行計(jì)算，另外選擇了6種截面尺寸組合與之進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，其主墩控制截面195、227、303號(hào)單元的強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

分析表2，可得:

1)從表2豎向看，隨著截面尺寸增大，彎矩和抗力都增大，而e值也增大。這表明此類(lèi)高墩結(jié)構(gòu)，主墩截面的尺寸越大，就更容易滿足結(jié)構(gòu)受力的要求。

2)從表2橫向看，當(dāng)3號(hào)墩b值與4號(hào)墩b值相近時(shí)(3.8、4.0、4.2 m)，其控制截面的e值均明顯小于4號(hào)墩。這說(shuō)明此類(lèi)高墩不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，若邊墩和中墩高度相近時(shí)，雖然中墩最高，卻不控制設(shè)計(jì)，反而邊墩的截面尺寸設(shè)計(jì)得要比中墩的截面尺寸大，才能滿足受力要求。

3)5號(hào)墩墩高為65 m，與3、4號(hào)墩高度相差近1倍，故其截面尺寸設(shè)計(jì)得較小，即能獲得與3、4號(hào)墩相近的剛度。

根據(jù)表2，單獨(dú)列出7個(gè)組合下3個(gè)主墩控制截面的e值，得到表3。

表2 控制單元不同截面組合強(qiáng)度驗(yàn)算表

由表3不難看出，在既保證結(jié)構(gòu)安全、又經(jīng)濟(jì)合理的原則下，組合5三個(gè)主墩的控制截面單元的e值分別為 10.9%、9.6%、8.7%，分布最均勻合理，說(shuō)明三個(gè)主墩在該組合下，剛度分布最為合理，故組合5成為最后確定的截面尺寸。這樣通過(guò)對(duì)比分析得出3、4、5號(hào)主墩最后的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 控制單元不同截面組合e值表

表4 最終確定的主墩參數(shù)表

3 不對(duì)稱(chēng)懸澆施工合龍順序及受力研究

該橋在施工期間，3號(hào)墩邊跨側(cè)只能滿足17 m長(zhǎng)現(xiàn)澆段的支架施工，而該橋由于地形、地質(zhì)的限制，需要25 m長(zhǎng)的現(xiàn)澆段。為了解決施工中的實(shí)際困難，降低搭設(shè)超高墩支架施工的風(fēng)險(xiǎn)，筆者提出了增加兩個(gè)不對(duì)稱(chēng)懸澆段(每段4 m)的方案(見(jiàn)圖4)，不對(duì)稱(chēng)懸澆施工的關(guān)鍵工序如下:

1)工序一為按照常規(guī)分段對(duì)稱(chēng)懸澆主跨T的梁段至中跨合龍?zhí)帯?/p>

2)工序二為邊跨搭設(shè)支架施工至邊跨合龍?zhí)帯?/p>

3)工序三為不對(duì)稱(chēng)懸澆1號(hào)段，同時(shí)在3號(hào)墩T構(gòu)右端配重1 700 kN。

4)工序四為在兩個(gè)中跨合龍口施加反頂力1 500 kN。

5)工序五為跨中合龍。

6)工序六為不對(duì)稱(chēng)懸澆2號(hào)段。

7)工序七為邊跨合龍。

該方案的一個(gè)主要特點(diǎn)是，在不對(duì)稱(chēng)懸澆1號(hào)段后即先合龍中跨，然后在不增加配重的前提下，利用兩個(gè)中跨合龍后3、4、5號(hào)墩之間形成的一個(gè)雙門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，來(lái)承受2號(hào)段的不對(duì)稱(chēng)懸臂施工所產(chǎn)生的不平衡彎矩。這樣只需配重1 700 kN，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低了3號(hào)墩頂?shù)呢?fù)彎矩。經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算分析，先合龍中跨的方案成為最終確定的施工方案。

圖4 不對(duì)稱(chēng)懸澆施工工序

不對(duì)稱(chēng)懸澆施工對(duì)墩柱的控制截面彎矩峰值、T構(gòu)墩頂負(fù)彎矩值及邊跨頂、底板的負(fù)、正彎矩峰值均有不同程度影響，此外對(duì)主梁合龍口豎向位移也會(huì)產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)力情況進(jìn)行驗(yàn)算和調(diào)整(增加)預(yù)應(yīng)力配束，由于篇幅所限，此處不再贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

舞陽(yáng)河大橋?yàn)樘卮笮蜕絽^(qū)橋梁，具備典型的不對(duì)稱(chēng)高墩大(多)跨特性。主橋擬定為115 m+2×180 m+100 m(115 m)連續(xù)剛構(gòu)。三個(gè)主墩最高為125 m，最矮為60 m，差異極大。本橋開(kāi)展了高度不對(duì)稱(chēng)(不等)的三個(gè)主墩剛度匹配研究，并對(duì)三個(gè)主墩截面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。此外，該橋還進(jìn)行了不對(duì)稱(chēng)懸澆施工的專(zhuān)項(xiàng)研究。該橋設(shè)計(jì)的特點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn):

1)本橋?yàn)閮煽?80 m連續(xù)剛構(gòu)，其主跨長(zhǎng)度、主跨跨數(shù)在省內(nèi)連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)中居于前列。

2)該橋在特大跨連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)中，在我省首次采用了等截面雙肢薄壁墩設(shè)計(jì)，極大加快了施工進(jìn)度，為以后同類(lèi)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓展了思路。

3)為了降低搭設(shè)高墩支架施工的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約施工成本，該橋在我省高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)中，首次采用了增加不對(duì)稱(chēng)懸澆段施工的設(shè)計(jì)，受到了業(yè)主及施工單位的好評(píng)，也是對(duì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行的一種有益的探索。

4)為了減少由于不對(duì)稱(chēng)懸澆施工所施加的配重重量，該橋進(jìn)行了合龍工藝的專(zhuān)項(xiàng)研究，并最終采用了首先合龍中跨，再合龍邊跨的設(shè)計(jì)。

［1］馬保林，李子青.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］鄔曉光，邵新鵬，萬(wàn)振江.剛構(gòu)橋［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］JTG D60－2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［4］JTG D62－2004，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［S］.

［5］楊志軍.連續(xù)剛構(gòu)橋型在山區(qū)高速公路上的應(yīng)用［J］.黑龍江交通科技，2010(8).

［6］徐君蘭，顧安邦.連續(xù)剛構(gòu)橋主墩剛度合理性的探討［J］.公路交通科技，2005，22(2):62－65.