通江河大桥曲线连续刚构设计

2016-04-28田波

四川建筑 2016年1期

关键词：曲线

田　波

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都 610041)

通江河大桥曲线连续刚构设计

田波

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都 610041)

【摘要】巴中至达州高速公路通江河特大桥，主跨采用85 m+160 m+85 m的连续刚构桥梁，位于R=1 250 m的曲线上，主墩墩高95 m。文章针对曲线连续刚构桥梁的受力特点开展了适应性的研究分析，确定了合理的桥孔布置,从构造细节、施工方式上提出了适用于曲线连续刚构的关键技术措施。

【关键词】曲线;连续刚构桥梁;孔跨布置;细节设计

1工程概况

通江河特大桥位于巴中市平昌县江口镇，是巴中至达州高速公路跨越通江河的一座特大桥。主桥平面位于半径为1 250 m的圆曲线上，通江河为Ⅵ级航道，桥高不受设计洪水位控制，由路线标高决定，桥面至水面约107 m。根据地形及总体路线情况，通江河特大桥跨径组合为(8×40 m)简支T梁+(85 m+160 m+85 m)连续刚构+(11×40 m)简支T梁，桥梁全长1 110 m，桥面宽28 m(净24.5 m+2×1.75 m人行道)。通江河大桥主桥点体布置见图1。大桥2010年开工建设，2013年通车运营。

图1　通江河大桥主桥总体布置

2自然条件

桥位区地形总体较为宽缓，北侧最高点高程431.3 m，河床最低点高程273.82 m，相对高差为157.48 m。属亚热带温暖湿润季风气候，相对湿度为80 %。拟建桥位处两年一遇洪水：Q50%=5 545 m3/s，H=300.08 m。

3曲线连续刚构孔跨布置的论证

根据桥位处地形地势条件相对宽缓，水面宽度约320 m，最大水深约20 m，通航等级为Ⅵ级航道。桥位处于风滩枢纽库区流速低，从控制桥梁工程规模和节约工程造价的角度出发，本项目主桥选择连续刚构的桥型方案是适宜的。

由于本项目路线总体设计处于R=1 250 m的圆曲线上，桥面标高受路线总体控制，桥面至水面约107 m高差。针对大跨高墩的曲线连续刚构对比分析论证了160 m、200 m、250 m 三种主跨跨径(表1)。路线曲线半径选择400～2 500 m四种曲线半径进行了对比。不同的主跨跨径在不同的曲线半径下，在桥梁结构受力上对曲线连续刚构桥的纵向弯矩、横向弯矩、扭矩、横桥向位移均有不同的影响。主跨跨径的大小对桥梁的规模和造价有直接的影响，同时主墩墩位的选择还涉及基础施工的难易程度。针对上述问题开展了本项目适宜跨径的研究。

表1　桥梁结构参数

3.1纵向弯矩的影响

把连续刚构构弯桥的弯矩与相同跨径直桥的弯矩之比定义为弯桥的弯矩修正系数。对于弯连续刚构，中跨跨中弯矩和1#块根部弯矩是控制截面。通过计算对比分析表明：弯连续刚构的跨中弯矩修正系数与根部弯矩修正系数相比要大，在主跨跨径大时更明显。三处典型代表截面的弯矩修正系数均随曲线半径增大而减小，弯矩修正系数在曲线半径超过800 m时影响较小，基本在1.05 以下(图2、图3)。

图2　弯连续刚构跨中弯矩修正系数

图3　弯连续刚构根部弯矩修正系数

3.2横向弯矩的影响

弯桥的最大特点就是弯扭耦合，在自重工况下就会产生横向弯矩，而直桥在自重工况下不产生横向弯矩。现采用弯连续刚构的中跨跨中横向弯矩与中跨跨中纵向弯矩的比值来分析弯连续刚构横向弯矩的变化趋势。中跨跨中断面为横向弯矩的控制断面。横向弯矩的变化趋势与纵向弯矩相同，一方面随着主跨的增大而增大；另一方面，横向弯矩随着平曲线半径的增大而衰减，主跨跨径越大，其衰减幅度越大。横向弯矩值与中跨跨中纵向弯矩的比值在跨径大、平曲线半径小的情况下会很大，但平曲线半径超过1 250 m时，衰减很快，当平曲线半径达到2 500 m时横向弯矩几乎可以忽略(图4)。

图4　不同跨径弯连续刚构跨中横向弯矩与纵向弯矩比值

3.3扭矩的影响

弯桥在自重工况下会产生扭矩，连续刚构桥最大扭矩一般出现在0#块悬臂端(1#块交界处)，其变化规律为：随着主跨跨径的增大，扭矩值增大且增幅明显；随着平曲线半径的增大，扭矩值减小且减幅明显。中跨跨中横向弯矩与纵向弯矩的比值也随圆心角的增大而增大，当圆心角大于20°后，跨中横向弯矩与纵向弯矩的比值也将超过30 %(图5)。

图5　不同跨径弯连续刚构跨中0#块位置扭矩

3.4横桥向位移的影响

曲线连续刚构桥桥墩偏心压缩导致的桥墩变形使梁体产生侧向变形，梁体在弯曲的预应索作用下也产生侧向变形，两者叠加形成横桥向位移。弯桥横桥向的位移值随着平曲线半径的减小，位移值增大。对于桥梁跨度大、平曲线线半径小时，位移值尤为明显。横桥向位移影响桥梁成桥线形和合龙精度，其绝对值是不能忽略的(图6)。

图6　不同跨径弯连续刚构跨中横向位移

3.5汽车活载的影响

活载影响主要在于活载的偏载对主梁结构内力的影响。计算选取汽车荷载公路—I 级车道荷载标准进行加载。分析表明，中跨外侧施加车道荷载后，对结构的内力影响较大；边跨内侧施加车道荷载后，对结构的内力影响相对小。设计中充分考虑活载的偏载效应影响。

3.6对比分析结论

在内力分析中扭矩的影响效应是最大的，对平曲线半径的变化极为敏感，正是弯桥特点的体现。当平曲线半径越小、跨径越大时弯扭效应更加明显；当跨径大、平曲线半径小时，扭矩、跨中横向弯矩的影响已很大，横桥向位移值也很大。

综合上述结论，推荐采用在R=1 250 m的平曲线上设置主跨(85+160+85) m的曲线连续刚构桥型方案,满足结构受力、变形要求，其工程规模可控，造价节约。针对曲线连续刚构桥从构造细节、施工方式上进一步开展适应性的研究。

4主体结构设计

4.1上部结构

箱梁采用单箱单室截面，分幅设计，为三向预应力结构。箱梁顶板宽13.75 m，底板宽7.75 m，箱梁顶板设置成3 %单向横坡。箱梁跨中及边跨现浇段梁高3.2 m(箱梁高均以较低腹板外侧为准)，墩与箱梁相接的根部断面和墩顶0#梁段高为10.2 m。从中跨跨中至箱梁根部，箱高以1.6次抛物线变化。箱梁腹板在墩顶范围内厚100 cm，从箱梁1#截面至10#截面腹板厚70 cm，从11#截面至21#截面腹板厚60 cm，边跨现浇段腹板厚60 cm。箱梁底板厚除0#梁段横隔板范围内为130 cm外，其余各梁段底板，从箱梁1#截面根部112.6 cm厚以1.5次抛物线渐变至跨中截面35 cm厚。

箱梁0#段长13 m(包括墩两侧各外伸1.5 m)，每个主墩“T”构纵桥向划分为20个对称梁段，边跨主梁现浇段长3.80 m。梁段数及梁段长度从主墩至两侧分别为13 m(0#段)、10×3.0 m、10×4.25 m、2.0 m(合龙段)。1#～20#梁段采用挂篮悬臂浇注施工，悬臂浇注梁段最大控制重量为2 135 kN，挂篮设计自重960 kN。全桥共有3个合龙段，边跨及中跨合龙段长度为2.0 m。

纵向预应力钢束均采用两端张拉；腹板束采用19φS15.2；悬臂顶板束采用23φS15.2、19φS15.2；边跨底板束采用12φS15.2；中跨底板束采用23φS15.2、19φS15.2；中跨顶板合龙束采用12φS15.2。顶板横向预应力束采用2φS15.2，单端张拉，横向预应力束沿桥轴线间距50 cm。竖向预应力钢束采用3φS15.2，采用低回缩量锚具，梁顶端张拉方式。

4.2下部构造

连续刚构9#、10#主墩为空心薄壁墩，分幅设计，整体式承台，墩顶0#块处设置连接横梁。墩高93.61(95.37) m，截面为7.75 m×10 m，壁厚0.8～1 m，沿桥墩高度20 m设置一道横隔板，墩身采用翻模施工。主墩桩基采用5 m厚承台下设16根直径220 cm钻孔灌注桩基础，桩尖嵌入弱风化岩层大于20 m。主墩承台建议采用钢围堰施工。

5适应于曲线刚构的设计及施工

5.1关键构造细节

5.1.1横隔板的设置

在弯连续刚构桥箱梁设计时，若增设了较密的横隔板对减小箱梁的畸变变形较为有利，从而减小了截面畸变力矩Bdω和畸变扭矩Tdω引起的截面正应力和剪应力。

对于增加横隔板设计对箱梁受力影响，通过对弯箱梁在跨中偏心施加一集中力，通过不设横隔板、设3块横隔板、设5块横隔板对其跨中挠度和顶板纵向正应力进行了研究(图7)。

图7　横隔板数量对截面挠度和应力影响

通过研究可以看出，增设了横隔板后跨中挠度和顶板正应力最大值均有减小，而且横隔板数目越多，减小值越大，但设置3～5块横隔板减小的数值是相当的，变化幅度不大。总体而言，对箱梁设置一定数量的横隔板对改善箱梁受力，特别是减小箱梁畸变作用较明显。

但设置横隔板后，增加了施工模板和施工工序，为了改善箱梁结构受力同时又方便结构施工，最终采用在箱梁0#块、交界墩支承处、1/8跨处增设横隔板。箱梁为左右分幅设置，在0#块梁段处增设横梁将左右幅桥梁连接成整体，增强箱梁整体抗扭性。同时对横隔板施加竖向、横向预应力钢筋特别加强。

5.1.2防崩钢筋及抗扭钢筋的设置

弯连续刚构桥中，主梁纵向预应力钢束沿腹板曲线布置。由于箱梁为变截面设计，底板合龙钢束沿底板也为曲线布置。当张拉钢束时，具有水平曲率的钢束对腹板及底板均会产生径向压力。这种径向压力往往会产生预应力钢束从腹板、底板中崩出，造成箱梁腹板、底板沿预应力管道轴心开裂等工程问题。(1)为了防止产生过大的径向力，在进行预应力钢束设计时，尽量避免采用张拉吨位较大预应力钢束。(2)钢束尽量布置于腹板外侧，锚固时平弯至腹板中心锚固。(3)在箱梁顶底板与腹板交接处，进行合理的倒棱设计，保证箱梁刚度的平顺过渡并减小箱梁的畸变。(4)防崩钢筋采用封闭箍筋或半封闭弧形与预应力钢束密贴布置，并与四周架立钢筋或纵向钢筋绑扎形成可靠不变形结构。

《规范》对“弯剪扭”受力构件,在数理统计和数据回归的基础上，提出了半经验半理论的计算公式，用于对工程的具体计算和设计。“桥规”的基本思路是将截面所承受的弯矩、剪力、扭矩分别计算其所需要的纵向钢筋和箍筋，再进行叠加后进行设计。主要构造细节为：(1)箍筋应采用闭合结构，箍筋末端做成135°弯钩。弯钩应箍牢纵向钢筋，相邻箍筋的弯钩接头纵向位置应交替布置。(2)抗扭箍筋间距：s≤min(bcor，hcor/2，20cm)或s≤min([bcor+hcor]/4，30cm)。(3)抗扭钢筋尽量布置在截面的外侧周边，尤其是长边的中点主拉应力较大处及四个角隅位置。

5.1.3支座及伸缩缝的设置

对于曲线连续刚构桥，需要控制在偏心活载作用下，内侧支座不产生负反力。若两个支座反力相差达到一倍以上时，建议对支座位置进行调整，外侧支座向外移动或内侧支座向内移动，使两支座受力较为均匀。本项目支座均为受压支座，内侧设计为单(纵)向盆式支座，外侧支座设计为双向盆式支座释放径向约束。

曲线上的连续刚构桥梁伸缩缝的变位除自由伸缩变位需求外，梁体端部在外荷载作用下还会出现平面转动位移、竖向转角位移。针对上述特点本项目选用具有多向变位的梳齿形板伸缩缝(图8)，其主要优点是能较好适应曲线连续刚构桥端头出现的纵向位移、平面转动位移、竖向转动位移等多项变形要求。

图8　曲线连续刚构伸缩缝构造

5.2主墩横向预偏量的设置

由于本桥位于R=1 250 m的圆曲线线上，主梁悬臂施工过程中，每节段钢束张拉均会产生向曲线内侧的偏移，考虑成桥阶段(收缩徐变完成后)及运营阶段活载影响，横向考虑最大偏移量13 cm(向曲线内侧)。本项目采取以下措施：(1)左右幅桥0#段施工完成后，施工0#块横向联系梁，通过横向联系梁及墩间横梁将左右主墩连接形成整体。(2)9#、10#主墩均设置向曲线外侧的预偏量，由墩底向墩顶线性设置0～13 cm的预偏值。

施工中对悬臂浇筑各施工阶段横向偏位值进行了现场监控，实际偏位与理论计算值吻合度较好。合龙前横向最大偏位为37 mm，合龙后为42 mm，后期收缩徐变完成后为116 mm。

5.3施工方案

5.3.1适应主墩横向预偏量的总体方案

对于通江河大桥，施工时采用0#块均是顺着墩身倾斜方向浇筑，不垂直于水平面，待后续梁段施工完成后，随着墩身预偏移量的逐渐恢复，0#块将随着墩身一起处于垂直水平面的状态，亦即成桥后的理论设计状态。

5.3.2三角挂篮及平面变位控制

三角挂篮工作原理为：底模、外模随三角桁架向前移动就位后，分块吊装梁段底板和腹板钢筋，并安装预应力筋和管道；将内模架从已灌梁段箱体内拖出，待内模安装完毕，再绑扎安装顶板内钢筋以及预应力筋与管道，然后灌注梁段混凝土；当新筑梁段预应力张拉和压浆作业结束后，挂篮再向前移动，进行下一梁段的施工。如此循环，直至梁段悬灌完工。本项目弯梁施工的挂篮移动方向由轨道控制，轨道的安装应根据曲线测量精确对位，以免挂篮走偏。

对已施工完成的各梁段的中心线施工图按规定每天测量一次，以掌握其线型的总体变化，输入微机指导下步梁段的曲线定测工作。对挂篮行进、安装过程中的平面线形控制，实际上是控制每节段前后的平面偏移量，每节段灌注完毕、张拉完预应力后，平面线形控制则以控制该段绝对平面位置为主。以上述方法进行平面线形控制，取得了良好的效果，平面中线偏移值小于10 mm，达到了设计及施工要求。

6结束语

随着高速公路向山区延伸，路线经过之处均为山岭重丘区,处于曲线上的高墩大跨连续刚构桥梁具有适应地形条件好、工程规模小、造价节约的优点，工程应用广泛。

结合在山区桥梁上的设计经验，通过通江河大桥的工程实践，进一步系统总结完善了高墩大跨曲线连续刚构桥梁相关设计和施工技术，对改进桥梁设计理念、提倡桥梁创新设计意识、确保结构耐久性是有益地工程实践。

参考文献

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[5]四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院.巴达高速公路通江河特大桥施工图设计文件[R]. 2010.

【文献标志码】B

【中图分类号】U442.5+3

[作者简介]田波(1974～),男,工程硕士,高级工程师,从事桥梁工程设计及研究工作。