通江河大橋曲線連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)

田　波

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院， 四川成都 610041)

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通江河大橋曲線連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)

田波

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院， 四川成都 610041)

【摘要】巴中至達(dá)州高速公路通江河特大橋，主跨采用85 m+160 m+85 m的連續(xù)剛構(gòu)橋梁，位于R=1 250 m的曲線上，主墩墩高95 m。文章針對(duì)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋梁的受力特點(diǎn)開展了適應(yīng)性的研究分析，確定了合理的橋孔布置,從構(gòu)造細(xì)節(jié)、施工方式上提出了適用于曲線連續(xù)剛構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)措施。

【關(guān)鍵詞】曲線;連續(xù)剛構(gòu)橋梁;孔跨布置;細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

1工程概況

通江河特大橋位于巴中市平昌縣江口鎮(zhèn)，是巴中至達(dá)州高速公路跨越通江河的一座特大橋。主橋平面位于半徑為1 250 m的圓曲線上，通江河為Ⅵ級(jí)航道，橋高不受設(shè)計(jì)洪水位控制，由路線標(biāo)高決定，橋面至水面約107 m。根據(jù)地形及總體路線情況，通江河特大橋跨徑組合為(8×40 m)簡(jiǎn)支T梁+(85 m+160 m+85 m)連續(xù)剛構(gòu)+(11×40 m)簡(jiǎn)支T梁，橋梁全長(zhǎng)1 110 m，橋面寬28 m(凈24.5 m+2×1.75 m人行道)。通江河大橋主橋點(diǎn)體布置見圖1。大橋2010年開工建設(shè)，2013年通車運(yùn)營(yíng)。

圖1　通江河大橋主橋總體布置

2自然條件

橋位區(qū)地形總體較為寬緩，北側(cè)最高點(diǎn)高程431.3 m，河床最低點(diǎn)高程273.82 m，相對(duì)高差為157.48 m。屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，相對(duì)濕度為80 %。擬建橋位處兩年一遇洪水：Q50%=5 545 m3/s，H=300.08 m。

3曲線連續(xù)剛構(gòu)孔跨布置的論證

根據(jù)橋位處地形地勢(shì)條件相對(duì)寬緩，水面寬度約320 m，最大水深約20 m，通航等級(jí)為Ⅵ級(jí)航道。橋位處于風(fēng)灘樞紐庫(kù)區(qū)流速低，從控制橋梁工程規(guī)模和節(jié)約工程造價(jià)的角度出發(fā)，本項(xiàng)目主橋選擇連續(xù)剛構(gòu)的橋型方案是適宜的。

由于本項(xiàng)目路線總體設(shè)計(jì)處于R=1 250 m的圓曲線上，橋面標(biāo)高受路線總體控制，橋面至水面約107 m高差。針對(duì)大跨高墩的曲線連續(xù)剛構(gòu)對(duì)比分析論證了160 m、200 m、250 m 三種主跨跨徑(表1)。路線曲線半徑選擇400～2 500 m四種曲線半徑進(jìn)行了對(duì)比。不同的主跨跨徑在不同的曲線半徑下，在橋梁結(jié)構(gòu)受力上對(duì)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的縱向彎矩、橫向彎矩、扭矩、橫橋向位移均有不同的影響。主跨跨徑的大小對(duì)橋梁的規(guī)模和造價(jià)有直接的影響，同時(shí)主墩墩位的選擇還涉及基礎(chǔ)施工的難易程度。針對(duì)上述問題開展了本項(xiàng)目適宜跨徑的研究。

表1　橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1縱向彎矩的影響

把連續(xù)剛構(gòu)構(gòu)彎橋的彎矩與相同跨徑直橋的彎矩之比定義為彎橋的彎矩修正系數(shù)。對(duì)于彎連續(xù)剛構(gòu)，中跨跨中彎矩和1#塊根部彎矩是控制截面。通過計(jì)算對(duì)比分析表明：彎連續(xù)剛構(gòu)的跨中彎矩修正系數(shù)與根部彎矩修正系數(shù)相比要大，在主跨跨徑大時(shí)更明顯。三處典型代表截面的彎矩修正系數(shù)均隨曲線半徑增大而減小，彎矩修正系數(shù)在曲線半徑超過800 m時(shí)影響較小，基本在1.05 以下(圖2、圖3)。

圖2　彎連續(xù)剛構(gòu)跨中彎矩修正系數(shù)

圖3　彎連續(xù)剛構(gòu)根部彎矩修正系數(shù)

3.2橫向彎矩的影響

彎橋的最大特點(diǎn)就是彎扭耦合，在自重工況下就會(huì)產(chǎn)生橫向彎矩，而直橋在自重工況下不產(chǎn)生橫向彎矩?，F(xiàn)采用彎連續(xù)剛構(gòu)的中跨跨中橫向彎矩與中跨跨中縱向彎矩的比值來分析彎連續(xù)剛構(gòu)橫向彎矩的變化趨勢(shì)。中跨跨中斷面為橫向彎矩的控制斷面。橫向彎矩的變化趨勢(shì)與縱向彎矩相同，一方面隨著主跨的增大而增大；另一方面，橫向彎矩隨著平曲線半徑的增大而衰減，主跨跨徑越大，其衰減幅度越大。橫向彎矩值與中跨跨中縱向彎矩的比值在跨徑大、平曲線半徑小的情況下會(huì)很大，但平曲線半徑超過1 250 m時(shí)，衰減很快，當(dāng)平曲線半徑達(dá)到2 500 m時(shí)橫向彎矩幾乎可以忽略(圖4)。

圖4　不同跨徑彎連續(xù)剛構(gòu)跨中橫向彎矩與縱向彎矩比值

3.3扭矩的影響

彎橋在自重工況下會(huì)產(chǎn)生扭矩，連續(xù)剛構(gòu)橋最大扭矩一般出現(xiàn)在0#塊懸臂端(1#塊交界處)，其變化規(guī)律為：隨著主跨跨徑的增大，扭矩值增大且增幅明顯；隨著平曲線半徑的增大，扭矩值減小且減幅明顯。中跨跨中橫向彎矩與縱向彎矩的比值也隨圓心角的增大而增大，當(dāng)圓心角大于20°后，跨中橫向彎矩與縱向彎矩的比值也將超過30 %(圖5)。

圖5　不同跨徑彎連續(xù)剛構(gòu)跨中0#塊位置扭矩

3.4橫橋向位移的影響

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩偏心壓縮導(dǎo)致的橋墩變形使梁體產(chǎn)生側(cè)向變形，梁體在彎曲的預(yù)應(yīng)索作用下也產(chǎn)生側(cè)向變形，兩者疊加形成橫橋向位移。彎橋橫橋向的位移值隨著平曲線半徑的減小，位移值增大。對(duì)于橋梁跨度大、平曲線線半徑小時(shí)，位移值尤為明顯。橫橋向位移影響橋梁成橋線形和合龍精度，其絕對(duì)值是不能忽略的(圖6)。

圖6　不同跨徑彎連續(xù)剛構(gòu)跨中橫向位移

3.5汽車活載的影響

活載影響主要在于活載的偏載對(duì)主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。計(jì)算選取汽車荷載公路—I 級(jí)車道荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加載。分析表明，中跨外側(cè)施加車道荷載后，對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較大；邊跨內(nèi)側(cè)施加車道荷載后，對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響相對(duì)小。設(shè)計(jì)中充分考慮活載的偏載效應(yīng)影響。

3.6對(duì)比分析結(jié)論

在內(nèi)力分析中扭矩的影響效應(yīng)是最大的，對(duì)平曲線半徑的變化極為敏感，正是彎橋特點(diǎn)的體現(xiàn)。當(dāng)平曲線半徑越小、跨徑越大時(shí)彎扭效應(yīng)更加明顯；當(dāng)跨徑大、平曲線半徑小時(shí)，扭矩、跨中橫向彎矩的影響已很大，橫橋向位移值也很大。

綜合上述結(jié)論，推薦采用在R=1 250 m的平曲線上設(shè)置主跨(85+160+85) m的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋型方案,滿足結(jié)構(gòu)受力、變形要求，其工程規(guī)模可控，造價(jià)節(jié)約。針對(duì)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋從構(gòu)造細(xì)節(jié)、施工方式上進(jìn)一步開展適應(yīng)性的研究。

4主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1上部結(jié)構(gòu)

箱梁采用單箱單室截面，分幅設(shè)計(jì)，為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。箱梁頂板寬13.75 m，底板寬7.75 m，箱梁頂板設(shè)置成3 %單向橫坡。箱梁跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.2 m(箱梁高均以較低腹板外側(cè)為準(zhǔn))，墩與箱梁相接的根部斷面和墩頂0#梁段高 為10.2 m。從中跨跨中至箱梁根部，箱高以1.6次拋物線變化。箱梁腹板在墩頂范圍內(nèi)厚100 cm，從箱梁1#截面至10#截面腹板厚70 cm，從11#截面至21#截面腹板厚60 cm，邊跨現(xiàn)澆段腹板厚60 cm。箱梁底板厚除0#梁段橫隔板范圍內(nèi)為130 cm外，其余各梁段底板，從箱梁1#截面根部112.6 cm厚以1.5次拋物線漸變至跨中截面35 cm厚。

箱梁0#段長(zhǎng)13 m(包括墩兩側(cè)各外伸1.5 m)，每個(gè)主墩“T”構(gòu)縱橋向劃分為20個(gè)對(duì)稱梁段，邊跨主梁現(xiàn)澆段長(zhǎng)3.80 m。梁段數(shù)及梁段長(zhǎng)度從主墩至兩側(cè)分別為13 m(0#段)、10×3.0 m、10×4.25 m、2.0 m(合龍段)。1#～20#梁段采用掛籃懸臂澆注施工，懸臂澆注梁段最大控制重量為2 135 kN，掛籃設(shè)計(jì)自重960 kN。全橋共有3個(gè)合龍段，邊跨及中跨合龍段長(zhǎng)度為2.0 m。

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用兩端張拉；腹板束采用19φS15.2；懸臂頂板束采用23φS15.2、19φS15.2；邊跨底板束采用12φS15.2；中跨底板束采用23φS15.2、19φS15.2；中跨頂板合龍束采用12φS15.2。頂板橫向預(yù)應(yīng)力束采用2φS15.2，單端張拉，橫向預(yù)應(yīng)力束沿橋軸線間距50 cm。豎向預(yù)應(yīng)力鋼束采用3φS15.2，采用低回縮量錨具，梁頂端張拉方式。

4.2下部構(gòu)造

連續(xù)剛構(gòu)9#、10#主墩為空心薄壁墩，分幅設(shè)計(jì)，整體式承臺(tái)，墩頂0#塊處設(shè)置連接橫梁。墩高93.61(95.37) m，截面為7.75 m×10 m，壁厚0.8～1 m，沿橋墩高度20 m設(shè)置一道橫隔板，墩身采用翻模施工。主墩樁基采用5 m厚承臺(tái)下設(shè)16根直徑220 cm鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁尖嵌入弱風(fēng)化巖層大于20 m。主墩承臺(tái)建議采用鋼圍堰施工。

5適應(yīng)于曲線剛構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工

5.1關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)

5.1.1橫隔板的設(shè)置

在彎連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁設(shè)計(jì)時(shí)，若增設(shè)了較密的橫隔板對(duì)減小箱梁的畸變變形較為有利，從而減小了截面畸變力矩Bdω和畸變扭矩Tdω引起的截面正應(yīng)力和剪應(yīng)力。

對(duì)于增加橫隔板設(shè)計(jì)對(duì)箱梁受力影響，通過對(duì)彎箱梁在跨中偏心施加一集中力，通過不設(shè)橫隔板、設(shè)3塊橫隔板、設(shè)5塊橫隔板對(duì)其跨中撓度和頂板縱向正應(yīng)力進(jìn)行了研究(圖7)。

圖7　橫隔板數(shù)量對(duì)截面撓度和應(yīng)力影響

通過研究可以看出，增設(shè)了橫隔板后跨中撓度和頂板正應(yīng)力最大值均有減小，而且橫隔板數(shù)目越多，減小值越大，但設(shè)置3～5塊橫隔板減小的數(shù)值是相當(dāng)?shù)?，變化幅度不大。總體而言，對(duì)箱梁設(shè)置一定數(shù)量的橫隔板對(duì)改善箱梁受力，特別是減小箱梁畸變作用較明顯。

但設(shè)置橫隔板后，增加了施工模板和施工工序，為了改善箱梁結(jié)構(gòu)受力同時(shí)又方便結(jié)構(gòu)施工，最終采用在箱梁0#塊、交界墩支承處、1/8跨處增設(shè)橫隔板。箱梁為左右分幅設(shè)置，在0#塊梁段處增設(shè)橫梁將左右幅橋梁連接成整體，增強(qiáng)箱梁整體抗扭性。同時(shí)對(duì)橫隔板施加豎向、橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋特別加強(qiáng)。

5.1.2防崩鋼筋及抗扭鋼筋的設(shè)置

彎連續(xù)剛構(gòu)橋中，主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束沿腹板曲線布置。由于箱梁為變截面設(shè)計(jì)，底板合龍鋼束沿底板也為曲線布置。當(dāng)張拉鋼束時(shí)，具有水平曲率的鋼束對(duì)腹板及底板均會(huì)產(chǎn)生徑向壓力。這種徑向壓力往往會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力鋼束從腹板、底板中崩出，造成箱梁腹板、底板沿預(yù)應(yīng)力管道軸心開裂等工程問題。(1)為了防止產(chǎn)生過大的徑向力，在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免采用張拉噸位較大預(yù)應(yīng)力鋼束。(2)鋼束盡量布置于腹板外側(cè)，錨固時(shí)平彎至腹板中心錨固。(3)在箱梁頂?shù)装迮c腹板交接處，進(jìn)行合理的倒棱設(shè)計(jì)，保證箱梁剛度的平順過渡并減小箱梁的畸變。(4)防崩鋼筋采用封閉箍筋或半封閉弧形與預(yù)應(yīng)力鋼束密貼布置，并與四周架立鋼筋或縱向鋼筋綁扎形成可靠不變形結(jié)構(gòu)。

《規(guī)范》對(duì)“彎剪扭”受力構(gòu)件,在數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)回歸的基礎(chǔ)上，提出了半經(jīng)驗(yàn)半理論的計(jì)算公式，用于對(duì)工程的具體計(jì)算和設(shè)計(jì)?！皹蛞?guī)”的基本思路是將截面所承受的彎矩、剪力、扭矩分別計(jì)算其所需要的縱向鋼筋和箍筋，再進(jìn)行疊加后進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要構(gòu)造細(xì)節(jié)為：(1)箍筋應(yīng)采用閉合結(jié)構(gòu)，箍筋末端做成135°彎鉤。彎鉤應(yīng)箍牢縱向鋼筋，相鄰箍筋的彎鉤接頭縱向位置應(yīng)交替布置。(2)抗扭箍筋間距：s≤min(bcor，hcor/2，20cm)或s≤min([bcor+hcor]/4，30cm)。(3)抗扭鋼筋盡量布置在截面的外側(cè)周邊，尤其是長(zhǎng)邊的中點(diǎn)主拉應(yīng)力較大處及四個(gè)角隅位置。

5.1.3支座及伸縮縫的設(shè)置

對(duì)于曲線連續(xù)剛構(gòu)橋，需要控制在偏心活載作用下，內(nèi)側(cè)支座不產(chǎn)生負(fù)反力。若兩個(gè)支座反力相差達(dá)到一倍以上時(shí)，建議對(duì)支座位置進(jìn)行調(diào)整，外側(cè)支座向外移動(dòng)或內(nèi)側(cè)支座向內(nèi)移動(dòng)，使兩支座受力較為均勻。本項(xiàng)目支座均為受壓支座，內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)為單(縱)向盆式支座，外側(cè)支座設(shè)計(jì)為雙向盆式支座釋放徑向約束。

曲線上的連續(xù)剛構(gòu)橋梁伸縮縫的變位除自由伸縮變位需求外，梁體端部在外荷載作用下還會(huì)出現(xiàn)平面轉(zhuǎn)動(dòng)位移、豎向轉(zhuǎn)角位移。針對(duì)上述特點(diǎn)本項(xiàng)目選用具有多向變位的梳齒形板伸縮縫(圖8)，其主要優(yōu)點(diǎn)是能較好適應(yīng)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋端頭出現(xiàn)的縱向位移、平面轉(zhuǎn)動(dòng)位移、豎向轉(zhuǎn)動(dòng)位移等多項(xiàng)變形要求。

圖8　曲線連續(xù)剛構(gòu)伸縮縫構(gòu)造

5.2主墩橫向預(yù)偏量的設(shè)置

由于本橋位于R=1 250 m的圓曲線線上，主梁懸臂施工過程中，每節(jié)段鋼束張拉均會(huì)產(chǎn)生向曲線內(nèi)側(cè)的偏移，考慮成橋階段(收縮徐變完成后)及運(yùn)營(yíng)階段活載影響，橫向考慮最大偏移量13 cm(向曲線內(nèi)側(cè))。本項(xiàng)目采取以下措施：(1)左右幅橋0#段施工完成后，施工0#塊橫向聯(lián)系梁，通過橫向聯(lián)系梁及墩間橫梁將左右主墩連接形成整體。(2)9#、10#主墩均設(shè)置向曲線外側(cè)的預(yù)偏量，由墩底向墩頂線性設(shè)置0～13 cm的預(yù)偏值。

施工中對(duì)懸臂澆筑各施工階段橫向偏位值進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，實(shí)際偏位與理論計(jì)算值吻合度較好。合龍前橫向最大偏位為37 mm，合龍后為42 mm，后期收縮徐變完成后為116 mm。

5.3施工方案

5.3.1適應(yīng)主墩橫向預(yù)偏量的總體方案

對(duì)于通江河大橋，施工時(shí)采用0#塊均是順著墩身傾斜方向澆筑，不垂直于水平面，待后續(xù)梁段施工完成后，隨著墩身預(yù)偏移量的逐漸恢復(fù)，0#塊將隨著墩身一起處于垂直水平面的狀態(tài)，亦即成橋后的理論設(shè)計(jì)狀態(tài)。

5.3.2三角掛籃及平面變位控制

三角掛籃工作原理為：底模、外模隨三角桁架向前移動(dòng)就位后，分塊吊裝梁段底板和腹板鋼筋，并安裝預(yù)應(yīng)力筋和管道；將內(nèi)模架從已灌梁段箱體內(nèi)拖出，待內(nèi)模安裝完畢，再綁扎安裝頂板內(nèi)鋼筋以及預(yù)應(yīng)力筋與管道，然后灌注梁段混凝土；當(dāng)新筑梁段預(yù)應(yīng)力張拉和壓漿作業(yè)結(jié)束后，掛籃再向前移動(dòng)，進(jìn)行下一梁段的施工。如此循環(huán)，直至梁段懸灌完工。本項(xiàng)目彎梁施工的掛籃移動(dòng)方向由軌道控制，軌道的安裝應(yīng)根據(jù)曲線測(cè)量精確對(duì)位，以免掛籃走偏。

對(duì)已施工完成的各梁段的中心線施工圖按規(guī)定每天測(cè)量一次，以掌握其線型的總體變化，輸入微機(jī)指導(dǎo)下步梁段的曲線定測(cè)工作。對(duì)掛籃行進(jìn)、安裝過程中的平面線形控制，實(shí)際上是控制每節(jié)段前后的平面偏移量，每節(jié)段灌注完畢、張拉完預(yù)應(yīng)力后，平面線形控制則以控制該段絕對(duì)平面位置為主。以上述方法進(jìn)行平面線形控制，取得了良好的效果，平面中線偏移值小于10 mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)及施工要求。

6結(jié)束語(yǔ)

隨著高速公路向山區(qū)延伸，路線經(jīng)過之處均為山嶺重丘區(qū),處于曲線上的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁具有適應(yīng)地形條件好、工程規(guī)模小、造價(jià)節(jié)約的優(yōu)點(diǎn)，工程應(yīng)用廣泛。

結(jié)合在山區(qū)橋梁上的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過通江河大橋的工程實(shí)踐，進(jìn)一步系統(tǒng)總結(jié)完善了高墩大跨曲線連續(xù)剛構(gòu)橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，對(duì)改進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)理念、提倡橋梁創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)、確保結(jié)構(gòu)耐久性是有益地工程實(shí)踐。

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【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號(hào)】U442.5+3

[作者簡(jiǎn)介]田波(1974～),男,工程碩士,高級(jí)工程師,從事橋梁工程設(shè)計(jì)及研究工作。

[基金項(xiàng)目]四川省交通科技項(xiàng)目《雅安至瀘沽高速公路超高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)與控制關(guān)鍵技術(shù)》子課題六，項(xiàng)目編號(hào)：2006A24-60，項(xiàng)目獲2013年四川省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

[定稿日期]2015-11-12