八家臺(tái)1號(hào)大橋連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)

林杰 潘寶 朱曉宇

關(guān)鍵詞 山區(qū)橋梁;連續(xù)剛構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)計(jì)算

中圖分類號(hào) U448.23;U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）04-0148-03

0 概述

連續(xù)剛構(gòu)橋通過變化的梁高以及墩梁固結(jié)的構(gòu)造，可使梁體承受較大的正負(fù)彎矩，達(dá)到整體受力性能良好的目的[1]，墩梁固結(jié)的構(gòu)造可使主墩處不設(shè)支座，并減少伸縮縫數(shù)量，增加行車舒適度，此外還具有順橋向抗彎剛度大、施工體系轉(zhuǎn)換方便，對(duì)混凝土的收縮、徐變及結(jié)構(gòu)抗震有利等優(yōu)點(diǎn)[2]，成為我國(guó)大跨度橋梁的主導(dǎo)橋梁形式[3]。另外連續(xù)剛構(gòu)在施工方式上，借鑒T形剛構(gòu)橋在懸臂法施工中保持體系平衡的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于地形條件受到限制的山區(qū)橋梁建設(shè)中，成為山區(qū)公路跨越不良地形的首選[4]。

1 項(xiàng)目概況

八家臺(tái)1號(hào)大橋位于湖北省恩施州咸豐縣活龍坪鄉(xiāng)八家臺(tái)村附近，跨越一處深U型沖溝。橋梁平面全范圍位于直線段內(nèi)，縱面均位于坡度為+2.3%的單向上坡段內(nèi)。橋跨跨徑布置為（60+110+60）m，采用變截面的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋直接銜接路基段，無引橋部分，橋面處標(biāo)高約為910 m，1號(hào)墩為最高墩，墩高達(dá)到68 m?？傮w布置圖如圖1所示：

2.1 地形地貌

橋址區(qū)地勢(shì)起伏較大，屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕低山地貌，多為旱地、山林，橋梁橫跨深切“U”型河谷，兩側(cè)山體地形較陡峭，下部地形坡度25°～40°，上部形成近直立的陡坎，地表植被為農(nóng)作物、灌木等。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

擬建場(chǎng)區(qū)隸屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)上揚(yáng)子臺(tái)坪（Ⅱ1）八面山臺(tái)褶帶（Ⅱ13）恩施臺(tái)褶束（Ⅱ13-2）四級(jí)構(gòu)造單元，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)目前屬于間歇期，隱伏斷裂構(gòu)造發(fā)震活動(dòng)較弱，近期無中、強(qiáng)震記錄;第四系以來，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為周期性的波動(dòng)和階梯式上升，地殼相對(duì)平靜，區(qū)域穩(wěn)定性較好，不會(huì)對(duì)擬建橋梁產(chǎn)生太大影響。

2.3 橋墩臺(tái)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

橋梁跨溝谷而設(shè)，橋臺(tái)均位于斜坡頂部，地形坡度約5°～10°，地勢(shì)相對(duì)較平緩，自然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好。橋址區(qū)巖層產(chǎn)狀275°∠4°，存在三組主要節(jié)理：L1產(chǎn)狀353°∠86°，L2產(chǎn)狀61°∠75°，L3產(chǎn)狀193°∠75°，根據(jù)坡向與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，巖層面較平緩，穩(wěn)定性較好，節(jié)理面產(chǎn)狀陡峭，橋臺(tái)邊坡開挖后在臨空面無剪出口，但存在崩落、掉塊的可能;橋墩擬采用樁基礎(chǔ)，整體穩(wěn)定性較好，但需考慮巖溶對(duì)樁基穩(wěn)定性的影響。

3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)

（1）設(shè)計(jì)行車速度為40 km/h。（2）橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)。（3）橋面寬度：12 m，整體式路基（橋梁與路基同寬度）。橫斷面為對(duì)稱布置：0.5 m的防撞護(hù)欄+1.5 m的人行道+8 m的行車道）+1.5 m的人行道+0.5 m的防撞護(hù)欄，共計(jì)12 m。（4）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。（5）地震烈度：該地區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g。（6）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。（7）橋面橫坡：雙向2.0%。

4 主要材料

4.1 混凝土

主梁因應(yīng)力水平較高，選用C55混凝土，主墩墩柱及蓋梁選用C40混凝土，承臺(tái)及樁基選用C30混凝土。

4.2 普通鋼筋

全橋選用HRB400和HPB300兩種牌號(hào)的普通鋼筋，其材質(zhì)、性能指標(biāo)需符合相關(guān)規(guī)范的要求。當(dāng)選用的鋼筋直徑大于或者等于12 mm時(shí)，應(yīng)采用HRB400規(guī)格的鋼筋，其余均采用HPB300的鋼筋。

4.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋

主橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束、主橋箱梁橫向及豎向預(yù)應(yīng)力鋼束，均采用公稱直徑為15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其性能應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224—2014）對(duì)于高強(qiáng)度低松弛鋼絞線的要求，鋼絞線的抗拉強(qiáng)度標(biāo)值達(dá)到1 860 MPa，彈性模量為1.95×105 ?MPa，松弛率需小于0.035。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱梁上部構(gòu)造為（60+110+60）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。箱梁的尺寸如下：高度從跨中至根部按二次拋物線變化，跨中梁高3.0 m，根部梁高6.8 m。頂板厚28 cm，底板厚度從跨中至根部由32 cm按二次拋物線變化72 cm，腹板從跨中至根部采用45 cm、55 cm、70 cm三種腹板厚。橫橋向頂板寬12.0 m，底板寬6.0 m，翼緣板懸臂長(zhǎng)度3.0 m。根部設(shè)置兩道橫隔板，每道橫隔板的厚度均為1.5 m，中跨跨中設(shè)置一道橫隔板，厚度為0.3 m，邊跨梁端設(shè)一道厚度為1.2 m的端橫隔板。

箱梁0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)12 m，邊、中跨合龍段長(zhǎng)均為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)為4 m。主梁采用懸臂對(duì)稱澆筑的施工方式，懸澆的總長(zhǎng)為48 m，每個(gè)懸澆“T”，按照縱向?qū)ΨQ原則設(shè)計(jì)，梁段長(zhǎng)度從根部至跨中，分別為8×3.5 m+5×4.0 m，共13個(gè)節(jié)段。懸澆節(jié)段最大重量為1 470 kN，掛籃自重為700 kN。

5.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、2號(hào)主墩的墩身為雙肢等截面的實(shí)體墩，矩形斷面，截面尺寸1.5×6.0 m（順橋向×橫橋向），并在一半墩高附近設(shè)置一道橫系梁，尺寸1.5×6.0 m。承臺(tái)厚度達(dá)4.0 m，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，按端承樁設(shè)計(jì)，選用4根樁徑2.4 m的鉆孔灌注樁，縱、橫向均按兩排布置。

0、3號(hào)橋臺(tái)為重力式輕型U橋臺(tái)配擴(kuò)大基礎(chǔ)。

5.3 主梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

主梁三向預(yù)應(yīng)力體系，按全預(yù)應(yīng)力混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)應(yīng)力鋼束錨下的張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，縱向預(yù)應(yīng)力錨固體系為大噸位群錨，管道采用預(yù)埋鍍鋅金屬波紋管，輔以真空壓漿。豎向預(yù)應(yīng)力考慮到預(yù)應(yīng)力損失，要求采用二次張拉。

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

6.1 靜力計(jì)算

采用空間有限元軟件Midas Civil 2018對(duì)八家臺(tái)1號(hào)大橋進(jìn)行仿真分析，結(jié)構(gòu)離散后的模型如圖2所示。

施工階段計(jì)算須結(jié)合具體的施工流程進(jìn)行，八家臺(tái)1號(hào)大橋的施工流程為：先進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)施工，待下構(gòu)施工完成后，在主墩上搭設(shè)托架，隨后在托架上澆筑0號(hào)塊，剩下的節(jié)段（除合龍段）均以掛籃懸臂澆筑法對(duì)稱施工，而后張拉相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼束，直至最大懸臂狀態(tài)。之后按先邊跨合龍、后中跨合龍的順序依次作業(yè)，最后施工橋面鋪裝。其中每個(gè)節(jié)段的懸澆主要包括掛籃安裝、梁段澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力并灌漿、掛籃前移四個(gè)主要工況，須按此順序逐步計(jì)算主梁各截面內(nèi)力、應(yīng)力和位移是否滿足要求。

而運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算則需考慮包括結(jié)構(gòu)恒載、上部活載、基礎(chǔ)沉降、溫度及靜風(fēng)力等荷載，并按規(guī)范進(jìn)行荷載組合，驗(yàn)算最不利工況下是否滿足要求，并據(jù)此設(shè)計(jì)截面的鋼束 [5]。

6.2 計(jì)算結(jié)果

綜合考慮短暫狀況與持久狀況時(shí)的各種工況，荷載包括結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)、收縮、徐變次效應(yīng)、非線性溫差、汽車及人群荷載、基礎(chǔ)沉降等作用，對(duì)箱梁施工、使用階段主梁各截面的內(nèi)力、應(yīng)力及位移，進(jìn)行了計(jì)算分析，并按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果如圖3～圖4所示。

主要結(jié)論如下：

（1）持久狀況承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算滿足規(guī)范的要求。

（2）短暫狀況，主梁頂部混凝土正截面壓應(yīng)力為0.3 MPa，主梁底部混凝土正截面壓應(yīng)力為0.1 MPa滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）第7.2.8條的規(guī)定。

（3）使用階段混凝土正截面壓應(yīng)力及使用階段受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力，均滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）第7.1.5條規(guī)定。

（4）在正常使用極限狀態(tài)作用短期效應(yīng)組合時(shí)，混凝土正截面抗裂滿足全預(yù)應(yīng)力的要求，并符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）第6.3.1條的規(guī)定。

（5）正常使用階段短期效應(yīng)組合時(shí)主梁截面的主拉應(yīng)力最大值滿足斜截面抗裂要求，并符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.1條的規(guī)定[6]。

6.3 高墩穩(wěn)定分析

該橋最高主墩為68 m，高墩穩(wěn)定分析主要分析高墩整體屈曲穩(wěn)定性對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)階段的影響，必須確保其安全性。

施工階段穩(wěn)定性分析主要考慮結(jié)構(gòu)恒載及橫橋向的靜風(fēng)荷載。最不利工況出現(xiàn)在T構(gòu)澆筑的最大懸臂狀態(tài)，此時(shí)，主梁尚未合龍，橋梁的穩(wěn)定性有待驗(yàn)證。如圖5失穩(wěn)模態(tài)為順橋向主墩壓屈失穩(wěn)，穩(wěn)定臨界系數(shù)為11.4，遠(yuǎn)大于4，滿足規(guī)范的要求。

通過簡(jiǎn)要闡述八家臺(tái)1號(hào)大橋項(xiàng)目概況、基礎(chǔ)資料、設(shè)計(jì)及計(jì)算等方面內(nèi)容，說明針對(duì)山區(qū)公路跨越U型及V型沖溝、峽谷等不良地形時(shí)，采用連續(xù)剛構(gòu)橋，具有受力性能好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，80～150 m中等跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋可作為首選橋型。八家臺(tái)1號(hào)大橋建設(shè)進(jìn)展順利，施工圖設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，此外還獲得了主管部門的批復(fù)，目前已進(jìn)入施工階段。文章提供的詳細(xì)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，可以為同類型橋梁工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

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