桐山溪特大橋104+200+104米連續(xù)剛構橋抗風設計探討

劉召起　閆秀梅　麥睿

摘要：沈海復線福鼎貫嶺至柘榮段為海峽西岸經(jīng)濟區(qū)高速公路“二縱”國家高速公路沈陽至?？诳v線擴容工程福鼎（閩浙界）至蕉城段。桐山溪特大橋位于福鼎市山前鎮(zhèn)山前村，跨越通鄉(xiāng)公路和桐山溪。文章介紹了海西高速公路網(wǎng)沈海復線桐山溪特大橋的總體設計、構造特點和抗風分析。

關鍵詞：連續(xù)剛構橋；構造特點；抗風分析；桐山溪特大橋；海西高速公路網(wǎng) 文獻標識碼：A

中圖分類號：U448 文章編號：1009-2374（2015）09-0024-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0768

1 概述

沈海復線福鼎貫嶺至柘榮段為海峽西岸經(jīng)濟區(qū)高速公路“二縱”國家高速公路沈陽至?？诳v線擴容工程福鼎（閩浙界）至蕉城段，是海峽西岸經(jīng)濟區(qū)“三縱八橫三環(huán)三十三聯(lián)”高速公路網(wǎng)布局中的重要組成部分。沈海復線福鼎貫嶺至柘榮段起于福鼎市貫嶺鎮(zhèn)邦福村（設邦福樞紐互通與沈海高速公路銜接），經(jīng)福鼎市桐山街道、管陽鎮(zhèn)，終于福鼎市管陽鎮(zhèn)劉洋村（順接沈海復線柘榮至福安段），路線全長32.04km。桐山溪特大橋位于福鼎市山前鎮(zhèn)山前村，跨越通鄉(xiāng)公路和桐山溪。

桐山溪特大橋為一座整體式大橋，橋梁起點樁號：K1+166.5，終點：K1+821.5，橋梁全長655m，設計為3×30+（104+200+104）+5×30預應力混凝土連續(xù)剛構、預應力混凝土T梁，引橋T梁采用先簡支后結構連續(xù)體系，主橋采用104+200+104m連續(xù)剛構。

1.1 技術標準

1.1.1 設計行車速度：80km/h。

1.1.2 設計基準期；100年。

1.1.3 設計安全等級；橋梁結構為一級。

1.1.4 設計荷載：公路-I級。

1.1.5 高程系統(tǒng)：1985國家高程基準，坐標系：1954年北京坐標系。

1.1.6 橋面寬度：本橋位于整體式路基段，橋?qū)扺=（0.5+11+0.5）+0.5+（0.5+11+0.5）=24.5m。

1.1.7 橋面橫坡：單向2%（半幅橋、標準橫坡、曲線超高部分做相應調(diào)整）。

1.1.8 設計洪水頻率：按1/300洪水頻率設計，橋梁高程由路線控制，不受洪水位控制。

1.1.9 地震基本烈度：6度，地震動峰值加速度為0.05。

1.1.10 橋梁抗震設防類別為A類；抗震設防措施等級為7度。

1.1.11 氣候：（1）風速：設計基本風速取38.4m/s（1/100）；（2）溫度：最冷月（元月）平均氣溫8.6℃，最熱月（7月）平均氣溫28.3℃，極端最低氣溫為-5.2℃，最高氣溫為43.2℃；（3）濕度：設計按70%取值。

1.1.12 環(huán)境類別：Ⅰ類。

1.2 橋址自然條件

橋址屬河流溝谷地貌，地勢較陡，擬建場地橫跨一由西北流向東南溪流，溪流寬約39.00～42.00m，其流量受季節(jié)性影響較大，暴雨季節(jié)流量驟增。場地內(nèi)地勢陡緩，自然坡度50°～55°。整體地面標高介于56.24～215.74m之間，最大相對高差約159.50m。

地質(zhì)構造上，橋址屬河流溝谷地貌，表層分布有第四系殘坡積黏性土，其下地層主要為凝灰熔巖（J3n）及其風化層。在勘探孔控制深度范圍內(nèi)場地未見有空洞、采空區(qū)等洞穴。根據(jù)場地周邊環(huán)境地質(zhì)條件分析，場地周邊未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用和軟土、飽和液化土層。

1.3 主要材料

1.3.1 混凝土：上構連續(xù)剛構箱梁采用C55（合攏段混凝土采用微膨脹混凝土），下構及基礎一般情況下，墩蓋梁及墩身、主墩承臺采用C40混凝土；過渡墩承臺采用C30混凝土；基樁采用C25混凝土。

1.3.2 預應力材料：預應力鋼束應采用符合GB/T5224-2003標準的高強度、低松弛預應力鋼絞線，標準強度fpk=1860MPa。預應力錨具采用OVM15系列錨具，預應力孔道采用配套的塑料波紋管，真空壓漿工藝。

箱梁豎向預應力鋼筋材料采用標準強度fpk=1860MPa的高強低松弛鋼絞線和級別PSB785的精軋螺紋粗鋼筋。體外預應力鋼絞線采用無黏結低松弛環(huán)氧涂層鋼絞線。體外束外套采用高密度聚乙烯管。錨固塊和轉(zhuǎn)向塊采用預埋無縫鋼管成孔，轉(zhuǎn)向塊處采用梳束器保證體外束束型。

2 主橋設計

2.1 總體設計

本橋跨越桐山溪，無通航要求。最大橋高187m，橋面中心設計標高：202.339m（見圖1）。

2.1.1 平面：處于A=342.053的右偏緩和曲線，直線段上，主橋平面位于直線段。

2.1.2 縱面：依次位于2%的直坡段、R=16000m凹曲線內(nèi)，主橋縱面位于2%的直坡段。

2.1.3 橋梁寬度：本橋位于整體式路基段，橋?qū)扺=左幅橋（0.5防撞護欄+11行車道+0.5防撞護欄）+0.5+右幅橋（0.5防撞護欄+11行車道+0.5防撞護欄）=24.5m。

2.2 主橋上部構造

主橋上部為（104+200+104）m三跨預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁，采用分離的上、下行獨立的兩座橋，單幅單箱單室截面，箱梁高度跨中為4.57m，支點處箱梁中心梁高12.57m，由距主墩中心5.5m處往跨中方向94.5m段按1.5次拋物線變化。箱梁頂寬12m，底寬7m，頂板懸臂長度2.5m。箱梁澆筑分段長度依次為：14m長0號段+12×3m+14×4m，邊、中跨合攏段長均采用2m，邊跨現(xiàn)澆段長2.56m（見圖2、3）。

2.3 主橋下部構造

本橋4、5號橋墩為主橋橋墩，即墩梁固接墩，4號橋墩雙肢墩高分別為106.915m和107.085m；5號橋墩雙肢墩高分別為115.915m和116.085m。墩身采用雙肢等截面矩形空心墩，肢間凈距5m；空心墩在其底部設6m厚和頂部設2m厚的實體過渡段；縱、橫向隔一定距離用系梁將縱向雙臂墩連成整體以滿足結構強度及穩(wěn)定要求。主墩承臺采用左右幅整體式承臺，基礎采用樁徑2.8m的鉆孔灌注樁，樁基礎按嵌巖樁設計。主、引橋間3、6號過渡墩采用等截面矩形空心墩，3號過渡墩左、右幅墩高為44m；6號過渡墩左、右幅墩高為50m?？招亩赵谄涞撞吭O4m和頂部設1m厚的實體過渡段，沿橋墩高度每間隔25m左右設一道橫隔板；單幅墩承臺厚3m，單幅橋基樁采用4根直徑為2.0m的鉆孔灌注樁，樁基礎按嵌巖樁設計。

3 抗風計算

3.1 風載參數(shù)計算

3.1.1 百年一遇風荷載計算：該項目所在地：福建省福鼎市，依據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）。

第一，主梁橫橋向風：FH=ρVg2CHH/2=65.2kN/m（墩支點處橫橋向風）

FH=ρVg2CHH/2=22.4kN/m（跨中處橫橋向風）

第二，主梁順橋向風：Ffr=ρVg2Cfs/2=2.4kN/m（墩支點處順橋向風）

Ffr=ρVg2Cfs/2=1.6kN/m（跨中處順橋向風）

第三，橋墩橫橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=10.5kN/m（墩頂橫橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=7.7kN/m（墩底橫橋向風）

第四，橋墩順橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=18.9kN/m（墩頂順橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=13.86kN/m（墩底順橋向風）

3.1.2 風荷載與汽車活載組合時，風荷載計算：該項目所在地：福建省福鼎市，依據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）。當風荷載參與汽車荷載組合時，橋面高度處的風速Vz取為25m/s。

第一，主梁橫橋向風：FH=ρVg2CHH/2=16.2kN/m（墩支點處橫橋向風）

FH=ρVg2CHH/2=5.6kN/m（跨中處橫橋向風）

第二，主梁順橋向風：Ffr=ρVg2Cfs/2=0.6kN/m（墩支點處順橋向風）

Ffr=ρVg2Cfs/2=0.4kN/m（跨中處順橋向風）

橋墩橫橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=2.1kN/m（墩0.65H處）

第四，橋墩順橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=3.78kN/m（墩0.65H處）

3.1.3 施工階段不平衡風荷載。該項目所在地：福建省福鼎市，依據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）。施工階段的設計風速按30年重現(xiàn)期計算Vsd=ηVd=0.92Vd。

成橋狀態(tài)：

主梁橫橋向風：FH=ρVg2CHH/2=55.2kN/m（墩支點處橫橋向風）

FH=ρVg2CHH/2=18.9kN/m（跨中處橫橋向風）

第二，主梁順橋向風：Ffr=ρVg2Cfs/2=2.0kN/m（墩支點處順橋向風）

Ffr=ρVg2Cfs/2=1.4kN/m（跨中處順橋向風）

第三，橋墩橫橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=8.75kN/m（墩頂橫橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=7.7kN/m（墩底橫橋向風）

第四，橋墩順橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=15.75kN/m（墩頂順橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=13.86kN/m（墩底順橋向風）

最大懸臂狀態(tài)：

第一，主梁橫橋向風：FH=ρVg2CHH/2=57.1kN/m（墩支點處橫橋向風）

FH=ρVg2CHH/2=17.0kN/m（跨中處橫橋向風）

第二，主梁順橋向風：Ffr=ρVg2Cfs/2=2.3kN/m（墩支點處順橋向風）

Ffr=ρVg2Cfs/2=1.5kN/m（跨中處順橋向風）

第三，橋墩橫橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=10.15kN/m（墩頂橫橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=8.75kN/m（墩底橫橋向風）

第四，橋墩順橋向風：FH=ρVg2CHAn/2=18.27kN/m（墩頂順橋向風）

FH=ρVg2CHAn/2=15.75kN/m（墩底順橋向風）

3.2 最大懸臂狀態(tài)的屈曲分析

3.2.1 橫橋向風荷載作用下。荷載工況：1.0自重+1.0主梁隔板+1.0預應力+1.0橫向風荷載。

最大懸臂狀態(tài)下模型見圖4：

圖4 最大懸臂狀態(tài)模型圖

最大懸臂施工狀態(tài)，橫橋向風荷載作用下，臨界荷載系數(shù)為13.5，一階振型圖見圖5：

圖5 橫橋向風載下一階陣型圖

3.2.2 順橋向風荷載作用下。橋梁順橋向梁所受的風荷載按《風規(guī)》相關條文計算計入。橋墩上的順橋向風荷載標準值按橫橋向風壓的70%乘以橋墩迎風面積計算。順橋向風荷載作用下，臨界荷載系數(shù)為13.5，一階振型圖見圖6。1.0自重+1.0主梁隔板+1.0預應力+1.0縱向風荷載。

圖6 順橋向風載下一階陣型圖

3.3 成橋狀態(tài)的屈曲分析

3.3.1 橫橋向風荷載作用下。荷載工況：1.0自重+1.0二期恒載+1.0主梁隔板+1.0預應力+1.0護欄+1.0橫向風荷載。成橋狀態(tài)下模型見圖7：

圖7 成橋狀態(tài)模型圖

成橋狀態(tài)，橫橋向風荷載作用下，臨界荷載系數(shù)為21.15，一階振型圖見圖8：

圖8 橫橋向風載下一階陣型圖

3.3.2 順橋向風荷載作用下。荷載工況：1.0自重+1.0二期恒載+1.0主梁隔板+1.0預應力+1.0護欄+1.0縱向風荷載。順橋向風荷載作用下，臨界荷載系數(shù)為21.16，一階振型圖見圖9：

圖9 順橋向風載下一階陣型圖

3.3.3 施工階段不平衡狀態(tài)穩(wěn)定分析。

施工過程中單“T”進行了下述四種工況的驗算：（1）最后一個懸臂段不同步施工，一側(cè)施工完畢，另一側(cè)施工一半，經(jīng)驗算，穩(wěn)定系數(shù)為13.79；（2）一端堆放的材料、機具等按4.5kN/m計，另一端空載，經(jīng)驗算，穩(wěn)定系數(shù)為13.5；（3）一側(cè)施工機具等動力系數(shù)1.2，另一側(cè)為0.8，經(jīng)驗算，穩(wěn)定系數(shù)為13.42；（4）考慮箱梁自重的不均勻性，一側(cè)懸臂自重增加4%，另一側(cè)懸臂自重減少4%，經(jīng)驗算，穩(wěn)定系數(shù)為13.49。上述施工過程中各不平衡工況與風載不平衡組合疊加驗算：（1）不平衡施工+風載不平衡，經(jīng)驗算，穩(wěn)定系數(shù)為13.78；（2）不平衡機具+風載不平衡，經(jīng)驗算，穩(wěn)定系數(shù)為13.46；（3）不平衡機具動力系數(shù)+風載不平衡，經(jīng)驗算，穩(wěn)定系數(shù)為13.42；（4）不平衡自重+風載不平衡，經(jīng)驗算，穩(wěn)定系數(shù)為13.49。

3.3.4 裸墩穩(wěn)定分析。荷載工況：1.0自重+1.0橫向風荷載。橫風荷載作用下，臨界荷載系數(shù)為45.99，一階振型圖見圖10：

圖10 裸墩橫風載下一階陣型圖

荷載工況：1.0自重+1.0縱向風荷載。

縱風荷載作用下，臨界荷載系數(shù)為45.98，一階振型圖見圖11：

圖11 裸墩縱向風載下一階陣型圖

4 結語

本橋為高墩大跨徑混凝土連續(xù)剛構，上部主梁采用懸臂澆筑施工，施工和運營階段均存在穩(wěn)定問題，設計中對結構進行了穩(wěn)定性分析。計算中考慮主墩裸墩、施工至最大懸臂及成橋三個狀態(tài)，荷載組合考慮永久作用、汽車荷載、制動力、溫度作用、施工階段風荷載、順橋向百年風荷載、橫橋向百年風荷載等荷載工況。本次設計采用Midas/Civil程序進行穩(wěn)定性計算，經(jīng)驗算，最不利穩(wěn)定系數(shù)均不小于5.0，滿足規(guī)范要求，結構具備較高的安全度。

作者簡介：劉召起（1975-），男，黑龍江寧安人，長春市市政工程設計研究院高級工程師，研究方向：道路橋梁。

（責任編輯：周 瓊）