深水庫(kù)區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

徐章潔，代 富，陳 曦

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

隨著我國(guó)水電站建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，電站建設(shè)規(guī)模日益增大，庫(kù)區(qū)段過(guò)江交通已不再滿足于索道、渡頭等交通形式，由此不可避免在大型水庫(kù)中修建越來(lái)越多的深水高墩橋梁。對(duì)位于四川西部高原地區(qū)的電站來(lái)說(shuō)，由于地理位置原因，若采用超大跨橋型如懸索橋、斜拉橋等，后期養(yǎng)護(hù)困難，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，而連續(xù)剛構(gòu)橋型由于其跨越能力大、施工方便、后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少，成為電站庫(kù)區(qū)中常用的主流橋型[1]。本文以雙江口水電站庫(kù)區(qū)G317線復(fù)建公路紅旗大橋?yàn)槔?，探討該?lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為同類(lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 工程概況

雙江口水電站為大渡河干流上游控制性水庫(kù)工程，電站壩址位于大渡河上源河流足木足河與綽斯甲河匯合口以下2 km河段，地跨阿壩州馬爾康縣和金川縣，上距馬爾康縣城約44 km，下距金川縣城約48 km。電站正常蓄水位2 500 m，最低蓄水位為2 420 m，水位變動(dòng)幅度達(dá)到80 m。雙江口水電站庫(kù)區(qū)G317線復(fù)建公路設(shè)計(jì)等級(jí)為三級(jí)公路，設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h，紅旗大橋?yàn)樵摼€路上的一座特大橋，主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為(120+220+120)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。橋梁總體布置如圖1所示。

橋梁寬度采用凈-11.0 m(行車(chē)道)+2×0.75 m(人行道)+2×0.25 m(護(hù)欄)，總寬13.0 m；設(shè)計(jì)荷載須同時(shí)滿足公路—Ⅰ級(jí)及汽-60級(jí)；地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，地震動(dòng)反應(yīng)特征周期為0.45 s。

注：圖中水位單位為m，其余單位為cm。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅旗大橋主橋采用(120+220+120)m連續(xù)剛構(gòu)，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，箱梁采用單箱單室截面。箱頂板寬13 m，底板寬7 m。箱梁根部梁高14.5 m，中跨跨中及現(xiàn)澆合龍段梁高4.5 m，箱梁底板下緣按1.8次拋物線變化。0號(hào)塊箱梁底板厚度為170 cm，各梁段底板厚從懸臂根部至懸澆段結(jié)束處為150 cm—35 cm，其間按1.8次拋物線變化，跨中合龍段及邊跨現(xiàn)澆段底板厚度為35 cm。箱梁0號(hào)塊頂板厚度為50 cm，其余節(jié)段為32 cm。箱梁腹板厚度由90 cm—75 cm—60 cm。主墩墩頂截面箱梁橫斷面構(gòu)造尺寸如圖2所示，跨中截面箱梁橫斷面構(gòu)造尺寸如圖3所示。

注：?jiǎn)挝粸閏m

注：?jiǎn)挝粸閏m

箱梁0#塊長(zhǎng)14 m，每個(gè)“T”構(gòu)向兩側(cè)各劃分為26個(gè)節(jié)段，“T”構(gòu)最大懸臂長(zhǎng)度為108.5 m，每個(gè)邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為4 m。全橋共設(shè)3個(gè)合龍段(2個(gè)邊跨合龍段，1個(gè)中跨合龍段)，每段長(zhǎng)度均為2.0 m。主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置了腹板束、頂板束和底板束。腹板束、頂板束采用25Φs15.2、20Φs15.2鋼絞線，底板束采用20Φs15.2鋼絞線。橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用2Φs15.2鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用3Φs15.2鋼絞線，順橋向均按0.5 m間距布置。

2.2 主墩設(shè)計(jì)

12#、13#主墩采用單室空心墩，墩高172 m，縱橋向墩頂寬11 m，墩底寬13.04 m，上部70 m范圍內(nèi)寬度不變，下部按1：100放坡；橫橋向墩頂寬7 m，墩底寬12.734 m，按1：60放坡；墩壁厚70～90 cm，墩底設(shè)3.0 m高的實(shí)心段。

2.3 交界墩設(shè)計(jì)

交界墩采用單室空心墩，墩高分別為81 m及88 m，縱橋向墩頂寬4 m，墩底寬分別為6.025 m及6.2 m，按1：80放坡；橫橋向墩頂寬7.2 m，墩底寬分別為9.225 m及9.4 m，按1：80放坡；墩壁厚60～80 cm，墩底設(shè)2.5 m高的實(shí)心段。

3 深水庫(kù)區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁的特點(diǎn)

3.1 上部結(jié)構(gòu)跨度大，易產(chǎn)生病害

本橋位于電站庫(kù)區(qū)蓄水范圍內(nèi)，且山高水深，正常蓄水位時(shí)水面寬度超過(guò)580 m，水面至溝谷底部的高度超過(guò)210 m，因此為適應(yīng)地形條件，連續(xù)剛構(gòu)橋梁的上部結(jié)構(gòu)主跨跨徑達(dá)到220 m。連續(xù)剛構(gòu)橋梁隨著跨度增大，較易出現(xiàn)跨中下?lián)?，頂?shù)装?、腹板開(kāi)裂等病害，同時(shí)隨著跨度增大，施工質(zhì)量控制難度也相應(yīng)增大，導(dǎo)致后期出現(xiàn)病害的風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增大。

3.2 橋墩墩高較高，且淹沒(méi)水深大

由于橋梁位于電站庫(kù)區(qū)內(nèi)，橋梁主墩高度達(dá)到172 m，交界墩最大墩高達(dá)到88 m，而受電站蓄水位影響，正常蓄水位下，主墩淹沒(méi)水深達(dá)到160 m以上，電站運(yùn)行期水位變幅達(dá)到80 m。深水淹沒(méi)區(qū)橋梁的特殊性在于一旦因?yàn)榈卣饘?dǎo)致橋梁損壞，其修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，修復(fù)難度大，特別是對(duì)于淹沒(méi)在水下部分的橋墩，震后維修加固必須在水下進(jìn)行，施工難度及經(jīng)濟(jì)代價(jià)都非常大，因此深水淹沒(méi)區(qū)橋梁的抗震問(wèn)題不容忽視。

3.3 岸坡穩(wěn)定性受蓄水影響較大

以本橋?yàn)槔娬編?kù)區(qū)蓄水位變幅達(dá)到80 m，主墩所處岸坡下部覆蓋層最大厚度約20 m。在非庫(kù)區(qū)條件下，岸坡穩(wěn)定性分析主要考慮天然工況、暴雨工況及地震工況，但受蓄水影響，岸坡穩(wěn)定還須考慮庫(kù)水驟降工況。此外，土質(zhì)邊坡在水庫(kù)蓄水后內(nèi)摩擦角及粘聚力降低，極易發(fā)生滑移或蠕變，對(duì)主墩產(chǎn)生水平推力，影響程度難以精確計(jì)算。

4 深水庫(kù)區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題解決方案

4.1 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋腹板及頂、底板裂縫問(wèn)題

導(dǎo)致大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋腹板及頂、底板裂縫產(chǎn)生的原因較復(fù)雜[2]，在滿足計(jì)算要求且配置足夠預(yù)應(yīng)力鋼束的情況下，后期運(yùn)行過(guò)程中，連續(xù)剛構(gòu)橋的腹板及頂、底板仍可能產(chǎn)生裂縫。因此，為避免箱型梁體出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，本橋設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用構(gòu)造措施，在0#～5#梁段范圍內(nèi)，對(duì)腹板、橫隔板、頂版、底板的內(nèi)外壁增設(shè)一層直徑6.5 mm、網(wǎng)眼間距8 cm×8 cm的帶肋鋼筋焊網(wǎng)；在6#～29#梁段，對(duì)腹板、底板的內(nèi)外壁增設(shè)一層直徑6.5 mm、網(wǎng)眼間距8 cm×8 cm的帶肋鋼筋焊網(wǎng)。

4.2 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)蠁?wèn)題

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主跨跨中下?lián)系脑蛴衃3]混凝土收縮徐變、施工偏差、運(yùn)營(yíng)期超載等。設(shè)計(jì)時(shí)除選擇合適的主梁結(jié)構(gòu)尺寸并設(shè)置預(yù)拱度外，本橋設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在主跨處，以跨中位置為豎曲線交點(diǎn)設(shè)置0.5%雙向縱坡，以便于成橋狀態(tài)下跨中預(yù)留一定上拱富裕度。

4.3 地震動(dòng)水效應(yīng)的影響

本橋在庫(kù)區(qū)正常蓄水位狀態(tài)下，絕大部分橋墩都淹沒(méi)在水中，地震工況下，水體對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。目前工程上一般采用附加橋墩一定范圍的水體質(zhì)量來(lái)體現(xiàn)這種墩和水在運(yùn)動(dòng)情況下的耦合作用。本橋設(shè)計(jì)時(shí)，采用賴偉等[4]提出的矩形截面柱體單位高度上動(dòng)水附加質(zhì)量的等效公式來(lái)計(jì)算附加質(zhì)量的數(shù)值，并采用橋梁空間分析軟件Midas Civil建立全橋模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模型中主梁與主墩采用剛性連接，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 全橋有限元計(jì)算模型

本橋設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》進(jìn)行，橋梁主跨220 m，為A類(lèi)抗震設(shè)防類(lèi)別，須同時(shí)進(jìn)行E1和E2地震作用下的抗震設(shè)計(jì)。由于E2地震作用為控制因素，本文僅列出E2地震作用下主墩墩底的地震響應(yīng)分析結(jié)果，如表1所示。

通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)：考慮水的影響后，結(jié)構(gòu)在橫橋向的彎矩增加達(dá)到50%以上，縱橋向彎矩也增加達(dá)到30%以上，因此，在深水條件下，庫(kù)水對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響不容忽視，在設(shè)計(jì)中必須予以重視。

表1 主墩墩底地震動(dòng)響應(yīng)分析對(duì)比

本橋在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到主墩處于庫(kù)區(qū)深水中的特殊情況，若橋墩在E2地震作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，則震后檢修維護(hù)極為困難，故下部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使橋墩在E2地震作用下仍處在彈性工作狀態(tài)，從而確保下部結(jié)構(gòu)留有足夠的安全儲(chǔ)備。

4.4 岸坡防護(hù)設(shè)計(jì)

為避免主墩岸坡下部覆蓋層發(fā)生滑移或蠕變對(duì)主墩產(chǎn)生水平推力，本橋在設(shè)計(jì)時(shí)，要求對(duì)承臺(tái)頂面高程以上部分的覆蓋層全部進(jìn)行清除處理。

5 結(jié)語(yǔ)

雙江口水電站紅旗大橋的跨度及墩高均在國(guó)內(nèi)同類(lèi)型橋梁中位于前列，并且橋墩淹沒(méi)水深大，因此具有一定的特殊性。本橋在設(shè)計(jì)中針對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋梁較易產(chǎn)生病害的關(guān)鍵問(wèn)題采取了一定的工程措施，并采用附加質(zhì)量方法來(lái)考慮地震作用下庫(kù)水對(duì)橋梁響應(yīng)的影響，本橋的設(shè)計(jì)方法可對(duì)同類(lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)和分析提供一定的借鑒和參考。