基于受力特點(diǎn)的斜腿剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)研究

舒 勇 朱朝陽(yáng) 余永強(qiáng)

(1.武漢深為工程技術(shù)有限公司 武漢 430056； 2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056)

斜腿剛構(gòu)橋因造型美觀(guān)、與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)性強(qiáng)、材料使用經(jīng)濟(jì)[1]，在中等跨徑橋梁選型中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，自世界上第一座預(yù)應(yīng)力斜腿剛構(gòu)橋(1954西德霍萊姆橋)修建以來(lái)，這種橋型已越來(lái)越多地運(yùn)用于我國(guó)城市或公路改建或新建橋梁中[2]。斜腿剛構(gòu)橋兼顧拱橋及剛構(gòu)橋的特點(diǎn)，橋墩與主梁固結(jié)能夠減小主梁跨中彎矩，有效減小主梁梁高[3-4]，但其為有推力結(jié)構(gòu)，對(duì)地基條件有一定要求。本文以湖北省鄂州市月河橋的設(shè)計(jì)為例，研究新建斜腿剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化處理等關(guān)鍵措施，通過(guò)合理的技術(shù)措施，使橋梁結(jié)構(gòu)受力處于合理狀態(tài)。

1 工程概述

1.1 建設(shè)條件

月河橋位于湖北省鄂州市，跨越長(zhǎng)港，是連接樊口片區(qū)與月河片區(qū)的重要通道。月河舊橋?yàn)殡p曲拱橋，經(jīng)鑒定為限載通行的危橋，居民需乘坐渡船過(guò)河，極為不方便，迫切需要新建一座橋梁。

擬建場(chǎng)地地基巖土層在勘探深度范圍內(nèi)的地基巖土層包括：①層填土(Qml)，②淤泥粉質(zhì)黏土(Q4l)，③-1粉質(zhì)黏土，③-2粉質(zhì)黏土，③-3礫砂，③-4粉質(zhì)黏土，④-1層強(qiáng)風(fēng)化礫巖(K)，④-2層中風(fēng)化礫巖(K)，⑤-1強(qiáng)風(fēng)化砂巖，⑤-2中風(fēng)化砂巖。淤泥粉質(zhì)黏土場(chǎng)地均布厚度4～5 m。

1.2 總體布置及結(jié)構(gòu)方案

斜腿剛構(gòu)橋跨徑組成為37 m+64 m+37 m=138 m，一跨跨越長(zhǎng)港，主跨64 m，主墩承臺(tái)間距80 m。同時(shí)利用斜腿剛構(gòu)的邊跨空間，打造親水休閑平臺(tái)，并在橋臺(tái)上設(shè)置過(guò)渡孔，方便地面輔道小型車(chē)輛調(diào)頭，方便周?chē)用癯鲂小蛄嚎傮w布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁總體布置圖 (單位：m)

主梁采用變高度混凝土箱梁，梁高沿按二次拋物線(xiàn)變化。主梁為斜腹板單箱雙室截面，箱梁頂寬23 m，箱梁懸臂長(zhǎng)度4 m，跨中及端部梁高1.8 m，根部梁高4.0 m。

斜腿主墩。斜腿縱橋向水平夾角55°，豎向斜率與主梁邊腹板一致，主墩上部采用混凝土單箱雙室截面，下部采用矩形實(shí)心截面，采用基座與承臺(tái)連接，承臺(tái)下設(shè)8根直徑2.0 m鉆孔灌注樁。主墩結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 主墩結(jié)構(gòu)圖 (尺寸單位：m)

橋臺(tái)及基礎(chǔ)。橋臺(tái)采用雙柱式臺(tái)身，與臺(tái)后通道連為一體，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)置8根直徑1.2 m鉆孔灌注樁。

2 斜腿剛構(gòu)斜腿固結(jié)與先鉸接后固結(jié)的比較

常規(guī)的斜腿剛構(gòu)橋型，斜腿底部有固結(jié)和鉸接2種體系方案。斜腿剛構(gòu)橋?yàn)槎啻纬o定結(jié)構(gòu)，溫度及收縮徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力較大[5]，斜腿端部鉸接可有效減小因預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變及溫度變化對(duì)斜腿產(chǎn)生的次內(nèi)力，但斜腿頂部彎矩較大，且耐久性較差，一般適用較小跨徑斜腿剛構(gòu)橋。本橋結(jié)構(gòu)體量較大，斜腿端部位于常水位以上、洪水位以下，設(shè)置永久鉸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且耐久性差，不便維護(hù)，因此本橋成橋后宜采用斜腿固結(jié)體系。

由于本橋規(guī)模較大，上部結(jié)構(gòu)施工工期較長(zhǎng)，若施工期間墩底固結(jié)，混凝土早期收縮徐變發(fā)展較快，施工過(guò)程中在斜腿根部產(chǎn)生較大的內(nèi)力[6-7]，對(duì)斜腿及基礎(chǔ)受力不利，需通過(guò)增大截面尺寸和配筋來(lái)解決，增加工程投資。施工期間在恒載及預(yù)應(yīng)力二次力作用下墩底亦會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩內(nèi)力。

為改善施工期間斜腿端部受力，對(duì)斜腿固結(jié)及先鉸接后固結(jié)2種體系進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。采用有限元程序midas Civil建立全橋空間模型。模型共分804個(gè)單元， 827個(gè)節(jié)點(diǎn)；縱向建模考慮樁土共同作用，模擬樁基礎(chǔ)土彈簧剛度，梁體按實(shí)際縱坡5%建模，全橋計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 全橋計(jì)算模型

施工及成橋固結(jié)體系墩底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 施工及成橋固結(jié)體系墩底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

施工設(shè)鉸、成橋固結(jié)體系墩底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 施工設(shè)鉸、成橋固結(jié)體系墩底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

固結(jié)體系恒載作用下墩底彎矩為69 262 kN·m，施工設(shè)鉸、成橋固結(jié)體系恒載作用下墩底彎矩為19 780 kN·m，彎矩減小71.4%；由于恒載彎矩占比較大，運(yùn)營(yíng)階段組合彎矩亦減小顯著，減小幅值達(dá)50.8%。經(jīng)分析比較，采用施工期間臨時(shí)設(shè)鉸、成橋后固結(jié)的措施，可以顯著減小和改善墩底及基礎(chǔ)受力，保證斜腿及基礎(chǔ)受力安全。

3 一般地質(zhì)條件橋墩基礎(chǔ)的研究

月河橋斜腿基礎(chǔ)位置地質(zhì)條件一般，固結(jié)體系下基礎(chǔ)承受較大水平推力，樁身內(nèi)力及樁頂位移較大。通過(guò)合理設(shè)置群樁基礎(chǔ)偏心距、采用抗推能力強(qiáng)的大直徑樁、對(duì)承臺(tái)位置一定范圍土體進(jìn)行漿噴樁加固等措施能有效控制樁身內(nèi)力和樁頂位移，保證基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全。

3.1 基礎(chǔ)偏心距設(shè)置對(duì)下部結(jié)構(gòu)受力的影響

由于斜腿端部采用固結(jié)體系，成橋后在后期混凝土收縮徐變、溫度作用下，基礎(chǔ)將承受較大的水平推力和彎矩。橋位處覆蓋層粉質(zhì)黏土深度較厚，土對(duì)基礎(chǔ)的約束作用較弱，樁身位移及樁頂位移較大，控制樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了最大限度地減小樁身內(nèi)力和樁頂位移，同時(shí)兼顧橋墩受力安全，研究群樁基礎(chǔ)與橋墩偏心距的不同對(duì)承臺(tái)底和墩底內(nèi)力影響，分別研究基礎(chǔ)外偏0.6 m、外偏0.3 m、不偏、內(nèi)偏0.3 m、內(nèi)偏0.6 m等6種工況，基礎(chǔ)偏心距對(duì)承臺(tái)底內(nèi)力影響計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 基礎(chǔ)偏心距對(duì)承臺(tái)底內(nèi)力影響計(jì)算結(jié)果

基礎(chǔ)偏心距對(duì)墩底內(nèi)力影響計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 基礎(chǔ)偏心距對(duì)墩底內(nèi)力影響計(jì)算結(jié)果

由分析結(jié)果可知，隨著基礎(chǔ)中心向跨中偏移，承臺(tái)底及墩底彎矩內(nèi)力逐漸增大，但基礎(chǔ)剪力逐漸減小，為合理控制和平衡樁頂內(nèi)力及水平剪力導(dǎo)致的樁頂位移，同時(shí)控制墩底內(nèi)力，基礎(chǔ)偏心距外偏(向岸側(cè))0.3 m。

3.2 樁基布置方案對(duì)樁頂位移控制的影響

按照樁身面積相等原則，分別研究8根直徑2.0 m樁基、10根直徑1.8 m樁基、14根直徑1.5 m樁基等3種不同直徑樁基布置方案，對(duì)運(yùn)營(yíng)階段樁頂最大位移控制的影響，3種方案樁頂最大位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 樁頂最大位移計(jì)算結(jié)果

由分析結(jié)果可知，最不利工況組合下，8根直徑2.0 m的樁基布置方案能較好地控制樁頂最大位移，樁頂最大位移5.6 mm<6 mm，因此采用抗推能力較強(qiáng)的大直徑2.0 m群樁基礎(chǔ)，確保樁周土體及樁身受力安全。

3.3 承臺(tái)臺(tái)后土體加固措施

為提高主墩樁側(cè)土抗力，主墩基礎(chǔ)施工采用直徑2.5 m鋼護(hù)筒成孔，承臺(tái)以下鋼護(hù)筒為永久護(hù)筒，長(zhǎng)5 m，護(hù)筒范圍樁徑2.5 m，其余范圍樁徑為2.0 m。

承臺(tái)后8 m范圍及承臺(tái)以下土體采用水泥攪拌樁(漿噴樁)進(jìn)行處理，水泥攪拌樁(漿噴樁)樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)13 m，縱橫向間距1.3 m，交錯(cuò)布置。承臺(tái)范圍土體加固示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 承臺(tái)范圍土體加厚示意圖(單位：m)

4 結(jié)語(yǔ)

本橋已順利建成通車(chē)。在橋梁設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，配合施工方案，取得了良好的效果。

1) 斜腿剛構(gòu)橋基礎(chǔ)位于水中，采用施工期間臨時(shí)設(shè)鉸、成橋后固結(jié)的措施，既保證橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和整體性，又可以顯著減小和改善墩底及基礎(chǔ)受力，保證斜腿及基礎(chǔ)受力安全。施工臨時(shí)鉸的構(gòu)造比較關(guān)鍵，應(yīng)設(shè)置足夠的連接鋼筋和承壓鋼筋。

2) 對(duì)于一般地質(zhì)條件下的斜腿剛構(gòu)橋，通過(guò)合理設(shè)置群樁基礎(chǔ)偏心距、采用抗推能力強(qiáng)的大直徑樁、對(duì)承臺(tái)位置一定范圍土體進(jìn)行漿噴樁加固等措施能有效控制樁身內(nèi)力和樁頂位移，保證基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全。