高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的關(guān)鍵技術(shù)問題

史宏財(cái)（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢430070）

1 引言

橋梁的內(nèi)力與應(yīng)力狀態(tài)，與形成結(jié)構(gòu)的順序及過程密切相關(guān)，不同的施工方案及施工順序?qū)?dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的受力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋在施工過程中常常會(huì)出現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，因此施工階段的應(yīng)力與變形必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以考慮。對于橋梁，設(shè)計(jì)與施工是不能也無法截然分開的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮施工方法、施工內(nèi)力與變形；而施工方法的選擇應(yīng)符合設(shè)計(jì)的要求，形成設(shè)計(jì)與施工互相制約、互相配合的關(guān)系。本文主要討論了高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 橋梁結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)狀態(tài)及相關(guān)設(shè)計(jì)

2.1 連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高墩大跨梁橋多采用懸臂施工法，需在施工過程中進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，經(jīng)過一系列的施工階段而逐步形成最終的梁橋體系。在各個(gè)施工階段，可能具有不同的靜力體系，其中包括安裝單元、拆除單元、張拉預(yù)應(yīng)力、移動(dòng)掛籃等工況[1]。

計(jì)算其恒載內(nèi)力時(shí)必須精確模擬各個(gè)施工階段，反映在結(jié)構(gòu)約束、荷載列向量和總剛矩陣等隨施工階段而發(fā)生變化。橋梁的恒載內(nèi)力由各個(gè)施工階段引起的內(nèi)力迭加而成，對不同的施工方法，橋梁的恒載內(nèi)力是有很大區(qū)別的。而活載和溫度、沉降等內(nèi)力在成橋后才發(fā)生，作用在最終連續(xù)梁體系上，故與施工方法無關(guān)。為了保證施工安全和長期正常使用，進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)必須對每一個(gè)受力階段計(jì)算各種荷載作用下的應(yīng)力和變形，并進(jìn)行組合。懸臂施工涉及到非常多的施工工況，且由于體系發(fā)生轉(zhuǎn)換而使預(yù)加力和徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力計(jì)算變得復(fù)雜，故設(shè)計(jì)時(shí)一般必須借助電算才能完成[2]。

采用懸臂施工的橋梁。在施工過程中經(jīng)歷T型剛構(gòu)的受力狀態(tài)，合龍后形成橋梁，其恒載產(chǎn)生的內(nèi)力由各施工階段產(chǎn)生的內(nèi)力迭加而成。由于合龍段較短，其產(chǎn)生的內(nèi)力一般較小，故T型剛構(gòu)受力狀態(tài)為主要部分。對于懸臂施工的橋梁，合龍后根部負(fù)彎矩很大，而中跨跨中恒載彎矩很小。二期恒載加上以后，根部負(fù)彎矩增大，中跨跨中承受相對較小的正彎矩。因此，截面幾何尺寸擬定時(shí)，應(yīng)根據(jù)以上彎矩分布特點(diǎn)，增大主梁根部附近斷面的抗彎剛度，提高截面下緣的承壓能力。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式的確定

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，必須對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，建立結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式。結(jié)構(gòu)離散化是結(jié)構(gòu)分析重要的一節(jié)，必須遵循以下原則：1)保證體系的幾何不變性。這一點(diǎn)在較復(fù)雜的施工體系轉(zhuǎn)換中尤其應(yīng)注意。同時(shí)也應(yīng)避免與結(jié)構(gòu)受力不符的多余約束；2)計(jì)算模型應(yīng)盡量符合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，對于零號(hào)塊的處理、支座的處理、基礎(chǔ)的模擬等應(yīng)慎重考慮；3)在合理模擬保證精度的前提下，盡量減少節(jié)點(diǎn)數(shù)目，以縮小計(jì)算規(guī)模。

一般在以下位置應(yīng)劃分節(jié)點(diǎn)；1)構(gòu)件的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和截面變化點(diǎn)；2)施工分界點(diǎn)、邊界處及支座處：3)需驗(yàn)算或求位移的截面處：4)當(dāng)出現(xiàn)位移不連續(xù)的情況時(shí)，例如相鄰兩單元以鉸接形式相連(轉(zhuǎn)角不連續(xù))，可在鉸接處設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用主從約束考慮該連接方式。

單元、節(jié)點(diǎn)編號(hào)時(shí)，應(yīng)盡量使單元兩側(cè)節(jié)點(diǎn)號(hào)之差最小，這樣可使形成的總剛度矩陣帶寬最小，從而節(jié)省存儲(chǔ)量和減少運(yùn)算量。有些程序能夠根據(jù)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)原理，自動(dòng)對帶寬進(jìn)行優(yōu)化處理，那么編號(hào)可隨意。

2.3 主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力設(shè)計(jì)

主梁的內(nèi)力計(jì)算，可分為設(shè)計(jì)和施工內(nèi)力計(jì)算兩部分。設(shè)計(jì)內(nèi)力是強(qiáng)度驗(yàn)算及配筋設(shè)計(jì)的依據(jù)。施工內(nèi)力是指施工過程中，各施工階段的臨時(shí)施工荷載，如施工機(jī)具設(shè)備(掛籃、張拉設(shè)備等)、模板、施工人員等引起的內(nèi)力，主要供施工階段驗(yàn)算用。

預(yù)應(yīng)力束筋的計(jì)算

在預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的計(jì)算中，根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力鋼束的布置應(yīng)綜合考慮以下因素：根據(jù)受力類型的不同分別考慮承載能力極限狀態(tài)下正截面抗壓、抗剪強(qiáng)度及斜截面抗剪強(qiáng)度等；正常使用極限狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件法向拉、壓應(yīng)力及主拉、主壓應(yīng)力要求；施工階段截面法向拉、壓應(yīng)力要求。充分考慮到梁體的構(gòu)造特點(diǎn)，在有限的空間內(nèi)進(jìn)行鋼束的豎彎與平彎，鋼束間的相對位置、轉(zhuǎn)彎角度及半徑等應(yīng)滿足構(gòu)造要求。

正常使用極限狀態(tài)的應(yīng)力要求計(jì)算：預(yù)應(yīng)力混凝土梁在預(yù)加力和使用荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)滿足的基本條件是：截面上、下緣均不產(chǎn)生拉應(yīng)力，且上、下緣的混凝土均不被壓碎。根據(jù)截面受力情況，其配筋不外乎3種形式；截面上、下緣均布置力筋以抵抗正、負(fù)彎矩；僅在截面下緣布力筋以抵抗正彎矩或僅在上緣配置力筋以抵抗負(fù)彎矩。應(yīng)注意，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件截面配筋數(shù)量不僅與截面承受的彎矩有關(guān)，而且還需考慮截面幾何特性的影響。

按承載能力極限狀態(tài)的強(qiáng)度要求計(jì)算預(yù)應(yīng)力梁達(dá)到受彎極限狀態(tài)時(shí)，受壓區(qū)混凝土應(yīng)力達(dá)到混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，受拉區(qū)鋼筋達(dá)到抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，截面的安全性是通過計(jì)算截面抗彎安全系數(shù)來保證的。在初步估算預(yù)應(yīng)力力筋數(shù)量時(shí)，T形或箱形截面，當(dāng)中性軸位于受壓翼緣內(nèi)可按矩形截面計(jì)算，但是當(dāng)忽略實(shí)際上存在的雙筋影響時(shí)(受拉區(qū)、受壓區(qū)都有預(yù)應(yīng)力筋)計(jì)算結(jié)果偏大，作為力筋數(shù)量的估算是允許的。

2.4 高墩設(shè)計(jì)

高等級公路跨越山嶺峽谷的橋梁，各種粱式橋是常用而且可行的方案。在這一范疇內(nèi)，跨度與墩高間會(huì)有一個(gè)相對經(jīng)濟(jì)的比例關(guān)系，而當(dāng)通過計(jì)算、分析、比選后確定跨徑與墩高后，高墩的類型、截面型式的選取及其穩(wěn)定問題則成為高墩設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)部分。

1）當(dāng)墩高相差不大時(shí)：墩高40m下，可選用雙柱式或矩形薄壁墩；墩高40m～50m選用矩形薄壁墩；墩高50m～60m可將矩形薄壁墩與空心薄壁墩進(jìn)行比較后選用； 墩高60m以上選用空心薄壁墩為宜；墩高100m將空心薄壁墩與雙壁式墩進(jìn)行比較后選用。當(dāng)墩高相差很大時(shí)，還得具體問題具體分析，經(jīng)過計(jì)算比較并結(jié)合下述高墩截面型式進(jìn)行選擇采用。

2）實(shí)際設(shè)計(jì)高墩時(shí)，采用墩壁厚度應(yīng)通過計(jì)算決定。墩身較高時(shí)如超過40m墩壁不宜太薄，因此時(shí)橋墩多受墩頂位移控制，用薄壁墩時(shí)須加大墩身總寬。另外，在薄壁墩中，由溫度、日照、混凝土收縮等引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較復(fù)雜，溫度應(yīng)力的計(jì)算方法還不夠完善，所以，設(shè)計(jì)中采用計(jì)算數(shù)據(jù)作定性分析，更要考慮一些不利因素，在結(jié)構(gòu)上增加一些必要的措施，如采用不同的內(nèi)外坡率使壁厚逐漸增加，或設(shè)置橫隔板等。

3）在施工穩(wěn)定性方面，有關(guān)資料表明，考慮到施工中不平衡荷載、裸墩風(fēng)載、高空作業(yè)安全等諸多因素，建議長細(xì)比λ值以不大于116為宜，這是因?yàn)棰佴?116時(shí)墩柱長細(xì)比過大：②施工中墩頂位移過大。

4）橋墩墩型與截面型式問題，尚未涉及結(jié)構(gòu)體系，從運(yùn)營穩(wěn)定的角度上來看，剛構(gòu)固結(jié)對高墩而言總是相對較好一些，為了施工方便，利用施工穩(wěn)定性較好的空心墩配以橋面連續(xù)，也具有一定的比選價(jià)值。對于高墩的截面型式，分析已建成的高橋墩，把高橋墩分為實(shí)體墩與空心墩兩大類。

5）空心式橋墩是橋墩向輕型化、機(jī)械化方向發(fā)展的途徑之一?？招亩湛沙浞值乩貌牧蠌?qiáng)度，因此，可以節(jié)省材料，減輕橋墩自重，降低對地基強(qiáng)度的要求，有很好的力學(xué)性能，是橋梁建設(shè)技術(shù)進(jìn)步的成果。

2.5 植筋工藝在工程加固的應(yīng)用

為使混凝土新舊結(jié)構(gòu)物得到很好的聯(lián)接，形成一個(gè)整體，其中一條快捷而有效的途徑就是采用植筋工藝。

由于承臺(tái)要把新樁和舊樁聯(lián)系成一個(gè)整體，因此首先在舊樁采用植筋的技術(shù)植入Φ20mm錨筋，鋼筋端頭彎鉤，靠錨筋把承臺(tái)鋼筋聯(lián)系起來。植筋范圍：原樁基在承臺(tái)范圍按40cm×38.5cm沿周鉆孔。植筋參數(shù)：孔深23cm，孔徑22mm。植筋粘結(jié)材料：環(huán)氧樹脂，固化劑和樹脂的配合比為l:l。

植筋技術(shù)主要體現(xiàn)在它的抗拉能力，同時(shí)采用兩種措施：(1)在舊樁上鉆一定深度的孔，清洗干凈，吹干水份后在孔內(nèi)灌滿環(huán)氧樹脂；(2)鋼筋端部切縫插入楔塊，楔塊采用長5cm的Φ8圓鋼，把圓鋼一端敲扁，插鋼筋端部，再把鋼筋打人孔中，使鋼筋端部膨脹，在混凝土中形成錨頭，用環(huán)氧樹脂封孔。經(jīng)橫向水平植筋抗拉破壞性試驗(yàn)，錨筋單根破壞拉力均遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)抗拉力。

3 實(shí)例分析

3.1 主梁上部構(gòu)造

本橋主梁采用單箱單室、三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱型斷面。箱梁根部高7.0m，跨中及邊跨5.0m贏線段梁高2.75m，梁高按2次拋物線變化，箱底寬5.0m，兩側(cè)懸臂長2.0m，全寬9.0m。頂板除0號(hào)塊件兩橫隔板間及承托斷面頂板厚58.4cm外，余者均為34.0cm。0號(hào)塊件兩橫隔板間底板厚1.0m，余者由80cm厚按二次拋物線變化到跨中32cm厚。腹板厚分65cm、50cm兩個(gè)等級，級間設(shè)過渡段。全橋共設(shè)置橫隔板6道，即墩頂處4道，兩邊跨端部各設(shè)1道，各橫隔板均設(shè)置了人澗以便施工。在兩岸橋臺(tái)處各設(shè)1道GL240伸縮縫和2個(gè)GPZ5D×盆式支座。

箱梁腹板上設(shè)有通風(fēng)孔，一般設(shè)在梁段腹板的中心部位，可根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整。

箱梁0號(hào)段長12.0m，在托架上澆注。兩側(cè)各有15個(gè)節(jié)段，梁段數(shù)及梁段長度為7m×3.0m和8m×4.0m。1號(hào)～15號(hào)梁段采用掛籃懸臂澆注施工，懸臂澆注梁段最大控制重量118t，掛籃控制重量700kN。全橋共有3個(gè)合龍段，即兩個(gè)邊跨合龍段和1個(gè)中跨合龍段，合龍段長均為2m，在吊架上澆注。邊跨現(xiàn)澆段長5.0m，在支架上澆注。

橫橋向粱與臺(tái)之間設(shè)鋼筋混凝土擋塊，擋塊間預(yù)留5cm間隙，其間設(shè)4cm厚彈性橡膠墊塊進(jìn)行橫向限位。

3.2 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

主梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用Φj15.24的鋼絞線，，張拉控制應(yīng)力，施工時(shí)均應(yīng)超張拉3%。頂?shù)装蹇v向預(yù)應(yīng)力鋼束均為兩端張拉，采用OVMl5-16或OVMl5-12大噸位錨固體系，頂板鋼束錨固于箱肋和腹板處，底板鋼束均需設(shè)置下齒板錨固。

橫向預(yù)應(yīng)力鋼束也采用中Φj15.24的無粘結(jié)鋼絞線，。逐根張拉，采用一端張拉方式，沿橋軸線50cm左右間距布置，張拉端和錨固端交叉設(shè)置，采用0VMl5-1錨固體系。

3.3 下部構(gòu)造與橋面系

橋墩均采用矩形空心薄壁墩，墩頂橫橋向?qū)?.0m，兩側(cè)按50:1向下放坡，以增強(qiáng)其橫橋向穩(wěn)定性，橋墩縱橋向?qū)?.0m，縱橫向墩壁厚均為1.20m；1號(hào)墩墩高70.00m，2號(hào)墩墩高72.00m；兩墩每隔9.9m左右設(shè)置一道0.5m厚橫隔板；兩墩承臺(tái)高為5m，平面外形尺寸為14.50m×14.50m。樁基礎(chǔ)由6根樁徑為2.5m的鉆孔灌注群樁組成，樁底嵌入中等風(fēng)化變質(zhì)石英砂巖夾千枚狀板巖層不小于8m。

在墩的周邊布置有6.5mm的防裂HRB400鋼筋，鋼筋網(wǎng)格為8cm×8cm。全橋橋墩上均設(shè)有過水孔，以適應(yīng)水庫水位的變化。過水孔兼作通氣孔用。全橋橋面鋪裝17cm厚，由8cm厚C40鋼纖維混凝土(配10×10HRBΦ10鋼筋網(wǎng))加9cm雙層瀝青混凝土(與道路路面結(jié)構(gòu)層相同)，水泥混凝土鋪裝與瀝青混凝土橋面鋪裝之間三涂FYT-1型防水涂料。

4 結(jié)語

連續(xù)剛構(gòu)橋適應(yīng)性強(qiáng)，施工方便，投資少，效益高，施工相對簡單，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對較低，且結(jié)構(gòu)新穎，行車條件好，特別是在近幾年內(nèi)得到更為廣泛的應(yīng)用。對于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁，由于其墩高而梁柱效應(yīng)明顯，本文從工程實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，對高墩大跨梁橋的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行詳細(xì)分析討論，有利于提高橋梁構(gòu)造設(shè)計(jì)水平。

[1]周軍生,樓莊鴻.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國公路學(xué)報(bào), 2000,13(1).

[2]何欽象,田小紅,宋丹.高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能評估[J].振動(dòng)與沖擊,2009,28(1).