山區(qū)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究

陳洪林

(湖南省龍永高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順 416700)

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山區(qū)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究

陳洪林

(湖南省龍永高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順 416700)

為了確定地形復(fù)雜山區(qū)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋較合理的跨徑布置，以湖南省龍永高速公路紅巖溪大橋連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，根?jù)實(shí)際地質(zhì)、地形和施工條件等進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案的比較優(yōu)化。結(jié)果表明：優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案降低了施工難度，縮短了工期，避開了不良地質(zhì)斷面，并保護(hù)了環(huán)境。以往一些剛構(gòu)橋方案比選最終選擇較小跨度連續(xù)剛構(gòu)為選定方案，而工程背景下確定了較大跨連續(xù)剛構(gòu)為選定方案，可見，跨徑布置的確定應(yīng)該針對(duì)不同山區(qū)橋位的不同實(shí)際情況區(qū)別對(duì)待。

連續(xù)剛構(gòu)橋； 山區(qū)； 跨徑布置； 地質(zhì)情況； 優(yōu)化

1 概述

具有深溝峽谷地貌和起伏崎嶇地形的山區(qū)經(jīng)常需要修建橋梁來跨越河流或山谷，這些山區(qū)地質(zhì)條件特殊，修建橋梁時(shí)多采用高墩。連續(xù)剛構(gòu)橋因其自身的特點(diǎn)及受力性能得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。連續(xù)剛構(gòu)橋的跨徑布置對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等方面均有重要的影響。對(duì)這方面的研究和探討并不多，文獻(xiàn)[5]給出了3個(gè)比選方案，最終選取了較小跨度連續(xù)剛構(gòu)為選定方案；文獻(xiàn)[6～8]主要給出了不同橋墩形式(含單肢和雙肢橋墩)不同剛度設(shè)計(jì)對(duì)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)受力和造價(jià)等方面的影響；文獻(xiàn)[9]主要比較同一橋位連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋方案的比較；針對(duì)不同山區(qū)橋位是否都如文獻(xiàn)[5]一樣應(yīng)該選擇較小跨度的連續(xù)剛構(gòu)橋方案值得研究。本文以湖南省龍永高速公路紅巖溪大橋連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃Y(jié)合實(shí)際地質(zhì)狀況，進(jìn)行方案優(yōu)化，探究山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑布置的選取是否均為較小跨為宜。

2 工程背景

本文工程背景為湖南省龍永高速公路紅巖溪大橋連續(xù)剛構(gòu)橋，原設(shè)計(jì)方案跨徑布置為：(5×40 m)T梁+(66 m+120 m+66 m)連續(xù)剛構(gòu)+(16×40 m)T梁[10]。立面圖如圖1所示。

原設(shè)計(jì)方案采用單箱單室箱形截面，連續(xù)剛構(gòu)墩頂箱梁截面的梁高為7.0 m，中跨跨中處的梁高為3.1 m，箱梁頂板寬度為12 m，底板寬度為6.5 m，根部斷面和跨中斷面分別如圖2和圖3所示。箱梁全長252 m，大部分位于-0.5%的縱坡段，少部分位于豎曲線段，頂板坡不設(shè)超高，為單箱單向-2%橫坡。

圖1 原設(shè)計(jì)橋型布置立面圖Figure 1 The elevation graph of original bridge-span arrangement

圖2 箱梁根部斷面圖(單位： cm)Figure 2 The box girder section graph of pier top(unit： cm)

圖3 箱梁跨中斷面圖(單位： cm)Figure 3 The box girder section graph of mid-span(unit： cm)

連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱懸臂掛籃施工。每個(gè)T構(gòu)均分成18個(gè)梁段，0號(hào)梁段長13 m，1號(hào)～17號(hào)梁段分段為3×250 cm+8×300 cm+6×350 cm；邊跨現(xiàn)澆段長5 m；邊跨和中跨合龍段長均為2 m，邊跨現(xiàn)澆段和合龍段可同時(shí)完成[10]。

連續(xù)剛構(gòu)橋的兩個(gè)主墩均設(shè)計(jì)為雙肢變截面的空心墩。每個(gè)單肢空心墩由三節(jié)組成，具體尺寸如圖4所示。

圖4 原方案主墩構(gòu)造圖(單位： cm)Figure 4 The structural graph of original main pier(unit： cm)

引橋均采用40 m預(yù)制T梁，T梁梁高2.5 m，跨中處肋板厚0.2 m，支座處肋板厚0.6 m；每跨半幅橋橫截面設(shè)計(jì)了5片T梁，梁距2.4 m。40 mT梁采用先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)形式，一聯(lián)孔數(shù)不大于5孔。除2、3、10號(hào)墩采用墩梁固結(jié)以外，其余各墩均設(shè)支座。

3 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

3.1 原設(shè)計(jì)方案的不足

① 高墩數(shù)量較多，5號(hào)～12號(hào)橋墩高度都在50 m以上，最大墩高達(dá)130 m，高墩施工的難度較大，施工周期較長，施工的安全隱患較大，還需作專題風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

② 7號(hào)墩臨近深溝底，溝溪流水易漲易退，漲水時(shí)洪水湍急，對(duì)樁基附近沖刷影響很大，樁基、承臺(tái)施工很不利，必須加強(qiáng)施工中及后期的防沖刷措施。

③ 7號(hào)主墩處于坡腳位置，在樁基施工和承臺(tái)基坑開挖時(shí)，可能對(duì)X010路基造成破壞，且對(duì)施工人員及車輛行人帶來重大安全隱患。

④ 由于7號(hào)主墩處于坡腳位置，位于X010公路的下方，為了路基的穩(wěn)定，下邊坡及坡腳必須進(jìn)行加固；由于8號(hào)主墩處于X010公路的上邊坡方，山坡陡峭，約65度，基礎(chǔ)施工時(shí)，土體可能會(huì)產(chǎn)生崩塌，對(duì)X010的運(yùn)營及7號(hào)墩施工造成安全隱患。故此，施工前必須采取措施，對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)。

⑤ 5號(hào)墩的地質(zhì)狀況是本項(xiàng)目巖溶最發(fā)育的，有溶洞；對(duì)于發(fā)育的巖溶的處理，施工中的費(fèi)用是無法預(yù)計(jì)的。

3.2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案的不足，在保持路線線形不變的情況下，對(duì)大橋橋跨進(jìn)行局部調(diào)整，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案為：(4×40 m)T梁+(116+220+116 m)連續(xù)剛構(gòu)+(12×40 m)T梁。原設(shè)計(jì)0號(hào)臺(tái)至4號(hào)墩位置不變，取消5～11號(hào)橋墩，調(diào)整跨徑后主墩位置位于原方案6、9號(hào)墩附近，4、12號(hào)墩作為剛構(gòu)橋與T梁的過渡墩。其余橋墩位置均保持不變，總橋長不發(fā)生變化。橋型布置如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的橋型布置立面圖Figure 5 The elevation graph of optimized bridge-span arrangement

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案采用單箱單室箱形截面，連續(xù)剛構(gòu)墩頂箱梁截面的梁高為13.4 m，中跨跨中處的梁高為4 m，箱梁梁高按1.8次拋物線變化，箱梁底板寬度為6.5 m，根部斷面和跨中斷面分別如圖6和圖7所示。

連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱懸臂掛籃施工。每個(gè)T構(gòu)均分成27個(gè)梁段，0號(hào)梁段長12 m，1號(hào)～26號(hào)梁段分段為5×300 cm+4×350 cm+5×400 cm+12×450 cm；邊跨現(xiàn)澆段長5 m；邊跨和中跨合龍段長均為2 m，邊跨現(xiàn)澆段和合龍段可同時(shí)完成。

圖6 優(yōu)化后箱梁根部斷面圖(單位： cm)Figure 6 The optimized box girder section graph of pier top(unit： cm)

圖7 優(yōu)化后箱梁跨中斷面圖(單位： cm)Figure 7 The optimized box girder section graph of mid-span(unit： cm)

連續(xù)剛構(gòu)橋的兩個(gè)主墩分別為6、9號(hào)橋墩，6號(hào)橋墩墩高為106.579 m，9號(hào)橋墩墩高為52.339 m，6號(hào)橋墩設(shè)計(jì)為變截面空心墩，墩底縱橫向尺寸為12×8 m，墩頂縱橫向尺寸為9×8 m，區(qū)間按直線變化；9號(hào)橋墩設(shè)計(jì)為等截面空心墩，縱橫尺寸為6×8 m，優(yōu)化后主墩構(gòu)造圖如圖8所示，左為6號(hào)墩構(gòu)造圖，右為9號(hào)墩構(gòu)造圖。

圖8 優(yōu)化方案主墩構(gòu)造圖(單位： cm)Figure 8 The structural graph of optimized main pier(unit： cm)

引橋仍采用40 m預(yù)制T梁，上部和下構(gòu)構(gòu)造與原設(shè)計(jì)方案相同，只是跨數(shù)改變了。

3.3 設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)

① 取消了5個(gè)空心高墩，即：5號(hào)墩墩高74 m，7號(hào)墩墩高130 m，8號(hào)墩墩高93 m，10號(hào)墩墩高70 m，11號(hào)墩墩高73 m；取消的橋墩高度都在70 m以上，最大墩高達(dá)130 m，降低了施工難度，縮短了施工工期。

② 取消了7號(hào)橋墩，避免了水流沖刷對(duì)樁基、承臺(tái)的影響，節(jié)約了防沖刷措施。

③ 取消了7號(hào)、8號(hào)橋墩，徹底解決了對(duì)X010公路及公路運(yùn)營的安全隱患。

④ 取消了7號(hào)、8號(hào)橋墩，取消了河溝及上邊坡的大量防護(hù)設(shè)施。

⑤ 優(yōu)化方案橋墩避開了原5號(hào)墩位置的巖溶發(fā)育地帶。

⑥ 較好地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。由于山坡上橋墩基礎(chǔ)開挖的工作量大量減小，對(duì)于山坡上植被能最大程度上得到保護(hù)。

3.4 設(shè)計(jì)方案可行性

大跨度掛籃現(xiàn)澆是成熟的施工工藝，本項(xiàng)目優(yōu)化為主跨220 m是可行的。采用有限元軟件CSU混凝土橋梁安全分析與控制系統(tǒng)V1.0(簡稱BR-CAL-Z)[11]，對(duì)優(yōu)化方案116 m+220 m+116 m連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行有限元建模分析，按設(shè)計(jì)圖確定的施工工序分析了施工全過程和成橋狀態(tài)的應(yīng)力和變形情況，有限元計(jì)算考慮了結(jié)構(gòu)自重、車道荷載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、溫度變化、施工臨時(shí)荷載等的影響。計(jì)算結(jié)果表明：短暫狀況下應(yīng)力(上緣應(yīng)力最小值-0.15 MPa)滿足規(guī)范要求；持久狀況下(上緣應(yīng)力最大值16.7 MPa)上部結(jié)構(gòu)能滿足《規(guī)范》中全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)及承載能力極限狀態(tài)要求，下部結(jié)構(gòu)亦滿足正常使用極限狀態(tài)(墩底計(jì)算裂縫寬度0.172 mm)及承載能力極限狀態(tài)要求。驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性。

4 方案比選

將原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合分析對(duì)比，對(duì)比情況見表1。

表1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前后對(duì)比情況Table1 Thecomparisonoftheoriginalandtheoptimizeddesignscheme項(xiàng)目原設(shè)計(jì)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方案5×40mT梁+(66+120+66m)連續(xù)剛構(gòu)+16×40mT梁4×40mT梁+(116+220+116m)連續(xù)剛構(gòu)+12×40mT梁主墩方案4#～12#墩間共布置9個(gè)高墩;最高墩7#墩高達(dá)126.8m;7#、8#主墩為雙肢薄壁空心墩,高墩施工難度大,施工周期長;7#主墩臨近河道,河水沖刷對(duì)樁基、承臺(tái)施工及維護(hù)影響較大4#～12#墩間取消5個(gè)橋墩,共布置4個(gè)高墩;最高墩6#墩高為106.3m;6#、9#主墩為箱型空心墩,高墩施工難度相對(duì)降低,施工進(jìn)度加快;主墩遠(yuǎn)離河道,不需考慮河水沖刷對(duì)樁基、承臺(tái)影響主梁方案箱梁采用掛籃懸澆施工,工藝成熟;主梁跨徑小,設(shè)計(jì)、施工難度較低,施工精度容易控制;施工周期相對(duì)較短箱梁采用掛籃懸澆施工,工藝成熟;主梁跨徑大,主梁施工質(zhì)量控制難度加大,施工控制精度要求更高。施工周期相對(duì)較長地質(zhì)影響7#墩臨近縣道X010,施工嚴(yán)重影響縣道X010運(yùn)營安全性,縣道X010下邊坡支護(hù)工程量大。8#墩位置地質(zhì)條件較差,支護(hù)工程量大。施工嚴(yán)重影響縣道X010運(yùn)行,需設(shè)置抗碎落石防護(hù)棚架,存在較大安全隱患取消了7#、8#墩兩處陡峭邊坡的高墩施工,降低了邊坡支護(hù)費(fèi)用,根據(jù)咨詢報(bào)告,7#、8#邊坡防護(hù)費(fèi)用約為200萬元和400萬元。徹底解決了橋墩施工對(duì)縣道X010的影響,施工安全性大幅提高環(huán)境保護(hù)7#、8#墩施工便道修建對(duì)山體破壞較大避免了7#、8#墩施工施工對(duì)山體破壞,保護(hù)了生態(tài)環(huán)境工期對(duì)比總工期29個(gè)月總工期28個(gè)月總造價(jià)16376萬元17058萬元

5 結(jié)論

① 優(yōu)化前后兩種連續(xù)剛構(gòu)橋跨布置方案均可行。兩者工期和造價(jià)比較接近，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案比原方案總工期節(jié)省1個(gè)月，造價(jià)多出682萬元。

② 相較于原方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案取消了5個(gè)高墩，降低了工程難度；減少橋墩避開了不良地質(zhì)斷面；同時(shí)由于開挖減小，較好地保護(hù)了環(huán)境。從施工、安全、環(huán)保等方面都有所改善，因此優(yōu)化后的116+220+116 m跨徑布置成為選定方案。

③ 以往一些剛構(gòu)橋方案比選最終選擇較小跨度連續(xù)剛構(gòu)為選定方案，而本文工程背景下確定了較大跨連續(xù)剛構(gòu)為選定方案，可見，跨徑布置的確定應(yīng)該針對(duì)不同山區(qū)橋位的不同實(shí)際情況區(qū)別對(duì)待。

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The Study on Optimization of Design Scheme of the Long-span Continuous Rigid Frame Bridge in Mountain Area

CHEN Honglin

(Hunan Longyong Highway Construction Development CO.， LTD， Yongshun， Hunan 416700， China)

To determine the more reasonable span arrangement of the long-span continuous rigid frame bridge in mountainous area，basing on the Hongyanxi bridge at Hunan Longyong highway，according to the actual geology，terrain and construction conditions，optimizing the design scheme.The results show that the optimized design scheme reduces the construction difficulty，shortens the time limit，avoids the bad geological sections，and protects the environment；the study before chose smaller span for the last scheme when comparing several schemes，but in this paper，the last choose is the larger span continuous rigid frame，so the span arrangement is up to the actual geological conditions of the different bridge.

continuous rigid frame bridge； mountain area； span arrangement； geological condition； optimization

2016 — 04 — 13

陳洪林(1976 — )，男，湖南湘鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理工作。

U 448.23+1

[文章編號(hào)] 1674 — 0610(2016)05 — 0123 — 05