米春陽

（深圳市寶安規(guī)劃設計院，廣東 深圳 518101）

0 引言

連續(xù)剛構橋就是主梁連續(xù)、墩梁固結在一起的一種橋型結構。它既保持了連續(xù)梁的伸縮縫少、行車平順的優(yōu)勢，又保持了T形剛構橋不設支座，施工體系轉換方便的特點。在豎向荷載作用下，主梁端部會產(chǎn)生部分負彎矩，因而減少了跨中的正彎矩，跨中截面也會相應減小，跨徑增大，所以橋下凈空大，視野開闊，橋型簡潔明快，景觀效果良好。同時，由于墩梁固結，整個橋梁連成一體，結構整體性好，抗震性能優(yōu)良，橫橋向抗扭潛力大，結構受力合理。因此，連續(xù)剛構橋是一種極富生命力的橋型，已成為現(xiàn)今大跨度預應力混凝土橋梁的首選橋型。

本文結合香港蓮塘/香園圍口岸-土地平整及基建工程-合約三項目的高架橋（簡稱為蓮塘三項目）設計，對連續(xù)剛構橋設計思路、理論、處理方法及施工流程進行闡述，討論設計中的重要細節(jié)。蓮塘三項目是港深兩地新建的蓮塘口岸第三標段，位于香港粉嶺附近。其項目主要特點是：擬建橋位處，橋下道路交織密布，地下管線縱橫交錯，多處橋跨布置和梁高設置空間受限，諸多因素制約著橋型布置。為此，經(jīng)過反復研究論證后，將原設計方案的連續(xù)梁橋優(yōu)化為連續(xù)剛構橋型，以便在盡量保持原有建筑物現(xiàn)狀的基礎上布置橋跨，解決橋跨大、跨長零碎、線形復雜的問題，同時也響應了香港要求減少橋梁運營期支座維修和更換對交通影響的倡導。該項目有A、B、C、D四條高架橋，總長達2.768km，主要連接粉嶺公路至龍山隧道南端出口，優(yōu)化后方案均為連續(xù)剛構橋。現(xiàn)選B1橋概況予以介紹。B1橋為5跨310m長，橋跨布置為（57.0+65.0+67.4+62.6+58.0）m，橋寬為9.2～14.1m，上部結構采用斜腹板式預應力混凝土箱梁，橫截面為單箱單室，梁高2.8m。橋墩采用薄壁變截面矩形墩，主墩截面順橋向墩底標高為1.4m，橫橋向墩底標高為2.5m。主墩樁基礎采用直徑為2.5m的鉆孔灌注樁，橋型立面如圖1所示。

圖1 B1橋立面圖（單位：mm）

1 設計要點

連續(xù)剛構橋的設計是一項復雜的工作，下面結合B1橋設計過程，分析討論連續(xù)剛構橋的設計要點及處理方法。

1.1 墩梁剛度比及墩柱結構形式

連續(xù)剛構橋多選用箱型主梁和柔性薄壁橋墩相結合，橋墩與梁體彎矩的分配取決于兩者的相對剛度，而梁體收縮、徐變及溫度應力也與墩柱的抗推剛度直接相關。合適的剛度比既能滿足全橋的縱向剛度，又能改善梁體內(nèi)力分配，充分發(fā)揮材料的受力性能，達到節(jié)約投資，增大跨徑的目的。因此，確定合適的墩梁截面及剛度比是連續(xù)剛構橋設計的重要內(nèi)容。蓮塘三項目連續(xù)剛構橋設計中，首先根據(jù)荷載估算和同類項目經(jīng)驗初步擬定主梁和橋墩截面，通過MIDAS Civil有限元分析程序建立三維實體模型進行施工階段、運營狀態(tài)模擬分析。然后，根據(jù)模型分析結果，調(diào)試主梁與橋墩截面尺寸及剛度比例，以達到初步的理想受力效果，即主梁在滿足施工、運營各階段和預應力構造要求的前提下選取梁體截面的最小尺寸，而墩柱截面尺寸除滿足結構以及施工、運營階段的最小縱、橫向剛度要求外，盡可能使其具有較大的抗彎剛度和較小的抗推剛度。按此方法，蓮塘三項目B1橋最終確定的主梁和墩柱截面尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 1/2中跨中、1/2中橋墩截面示意（單位：mm）

蓮塘三項目橋梁設計中，對于相鄰兩聯(lián)橋的伸縮縫處，參照了橋梁主墩設計原理，采用了設置在同一基礎上中心間距為2.4m的薄壁墩與各自主梁固結的形式（如圖1中B1橋AB6橋墩）來處理橋梁縱向變形問題，其墩柱基礎形式如圖4所示。該做法較新穎，遵循項目整體設計思路，計算分析結果顯示，受力也滿足設計要求，值得推崇。

圖3 AB2/AB5墩底截面示意圖（單位：mm）

圖4 相鄰兩聯(lián)橋伸縮處墩柱基礎示意圖（單位：mm）

1.2 次內(nèi)力因素的處理

連續(xù)剛構橋是一種超靜定結構，混凝土收縮、徐變、溫度變化、墩臺基礎不均勻沉降等因素都會引起次反力，產(chǎn)生次內(nèi)力，極大地影響結構受力狀況。蓮塘三項目橋梁設計時，除說明中對混凝土的材料組成和配合比、構件養(yǎng)護條件等內(nèi)容作出特別要求外，認為節(jié)段拼裝之前混凝土完成收縮，橋型結構分析中僅考慮徐變效應。按照BS5400 Part 4附錄C的相關內(nèi)容，在模型分析時定義梁體混凝土徐變函數(shù)，通過模擬施工過程以達到準確反映徐變對結構產(chǎn)生的影響。由于連續(xù)剛構橋縱向上橋墩的水平約束，梁體整體溫度變化和截面內(nèi)梯形溫差都會對梁體內(nèi)力產(chǎn)生較大影響。蓮塘三項目橋梁依據(jù)項目設計要求取橋梁有效溫度變化范圍為0～36℃，依據(jù)SDMHR中2.4.3條款進行了溫度荷載分析和加載，采用軟件分析了溫度變化對結構內(nèi)力的影響程度。對于基礎的不均勻沉降，考慮到橋墩基礎均采用嵌巖樁，故采用10mm強制位移來模擬混凝土基礎彈性變形及樁底沉渣影響。

1.3 施工撓度控制設計

連續(xù)剛構橋采用懸臂施工，撓度的計算和控制尤為關鍵，它不僅影響橋梁合龍精度，而且影響成橋線形與設計線形的吻合程度，故必須做好施工控制設計。撓度計算的影響因素很多，主要有計算模型、自重、混凝土的彈性模量、收縮及徐變、日照和溫度變化、預應力大小、結構體系轉換、施工荷載和橋墩變位等因素。需要將這些因素綜合考慮進行計算，計算內(nèi)容有：

（1）各節(jié)點斷面在各施工階段的撓度和累積撓度；

（2）各節(jié)點斷面在成橋狀態(tài)下的累積撓度；

（3）各節(jié)點斷面最大、最小活載撓度。

根據(jù)各跨活載撓度的計算結果、跨徑大小、施工安排、所用材料等，設置高于設計高程的預拱度。理論拼裝高程僅是理論計算數(shù)據(jù)，各種影響系數(shù)隨著施工時間、天氣情況而變化，其系數(shù)取值與實際情況存在差異。因此在施工過程中，必須結合施工的實際情況進行模擬計算，并對各節(jié)點的斷面在各施工階段的撓度變形進行觀測，合理地對各節(jié)點理論拼裝高程進行調(diào)整，以期達到成橋線形與設計線形的良好吻合。蓮塘三項目橋梁運用三維實體模型進行全橋施工階段仿真分析模擬，按照階段的推進，橋梁結構形式、支承約束條件、荷載作用等發(fā)生的變化逐一分析，并充分考慮了預應力荷載效應，最終按照分析結果確定預拱度、節(jié)段理論拼裝高程，以方便施工過程中按實際情況進行核對和校正。

2 建立模型

模型建立須遵循的原則有：

（1）計算模型盡量符合實際結構的構造特點和受力特點，以保證計算分析結果的真實性；

（2）保證體系的幾何不變性，特別是體系轉換過程；

（3）施工分析中的荷載、邊界條件的設置符合實際施工程序。

鑒于連續(xù)剛構橋型的上部箱梁與下部結構固結于一體，為了得到真實的上、下部結構相互作用的全橋結構分析結果，設計時采用三維整體模型進行全橋模擬分析。

模型建立時處理要點：

（1）根據(jù)結構構造特點、實際施工過程及計算精度要求，主梁單元以約2.5m的長度劃分節(jié)段；

（2）由于程序計算結果是以節(jié)點位移和內(nèi)力形式輸出的，節(jié)點位置主要考慮了設計需要驗算的截面以及影響線的作用點，包括各關鍵控制界面處、構件交接點和轉折點、截面突變處及施工縫處；

（3）蓮塘三項目中B1橋除在橋臺處設置盆式橡膠支座外，其余均為墩梁固結，故模型中橋梁支撐位置的主梁截面均假設為完全剛性，墩頂與箱梁中性軸之間用剛壁模擬；

（4）對于埋置于地下的樁基，則采用有限單元法桿件單元模擬，將土假設為彈性介質，周圍土體對樁基的約束，使用間距為1.0m、縱橫向剛度均為750Z kN/m（750是根據(jù)實際地質勘察條件確定的，Z為約束點的埋置深度）的彈簧進行模擬。

模型施加荷載主要包括恒載（包括混凝土的收縮徐變）、活載、基礎沉降、溫度荷載（含整體溫變和溫度梯度）、汽車制動力、風荷載等。由于香港部分延用了英國規(guī)范，現(xiàn)對香港車載計算予以介紹。按照香港《Structures Design Manual for Highways and Railways》規(guī)定，車載分為HA、HB兩種。其中HA計算式為：L≤70m，W=400×(1/L)0.67；70m＜L≤1400m，W=400×(1/L)0.67（其中L為加載長度，W為每名義車道上每米的車載值），同時考慮集中荷載120kN/車道。HB車載是寬度為3.5m，長度可根據(jù)最不利狀況選擇9.6m、14.6m、9.6m、24.6m或者29.6m的車輛荷載，其軸載為450kN，輪載為112.5kN，總重為1800kN。

蓮塘三項目中B1橋的三維實體模型如圖5所示。

圖5 B1橋的三維實體模型

3 設計分析

設計分析是根據(jù)模型運行結果對結構進行內(nèi)力分析、處理，進而優(yōu)化設計橋梁桿件。

3.1 主梁縱向計算

B1橋分析結果顯示：主梁結構設計主要由荷載組合（恒載+預應力+溫度+汽車活載+人群荷載）控制?？v向計算首先按模型中正常使用極限狀態(tài)下正負彎矩、剪力，配置主梁頂部、底部預應力鋼索，并通過調(diào)整索的數(shù)量和位置來控制箱梁橫截面上應力大小，確保在使用荷載作用下各截面均不得出現(xiàn)拉應力，然后再根據(jù)承載能力極限狀態(tài)下荷載效應確定普通鋼筋數(shù)量，也就是按結構使用性能要求確定預應力鋼索數(shù)量，極限承載力的不足部分由普通鋼筋來補充。蓮塘三項目橋梁主梁采用了C50混凝土和公稱直徑為15.7mm、強度級別為1860MPa的高強度低松弛預應力鋼絞線。鋼索主要布置如圖1所示，體內(nèi)索及張拉控制力為13束/2720kN，體外索及張拉控制力為22束/4604kN、31束/6750kN兩種形式。值得一提的是，對于曲線鋼束，為防止外繃破壞，采取了增加保護層厚度、加強管道定位鋼筋以及盡量減少和縮短通入腹板下彎的措施。

3.2 主梁橫向計算

箱梁橫向內(nèi)力計算，采用SAP/2000軟件建立彈性支承平面框架模型進行計算，對汽車荷載按規(guī)范要求計算縱向荷載分布寬度，然后換算成每延米的集中荷載作用在框架上，計算中同時考慮了溫度影響和預應力的作用。

3.3 墩柱基礎內(nèi)力

連續(xù)剛構橋受力介于梁與拱之間，模型結果顯示，對上部結構嵌固作用較大的墩柱基礎上產(chǎn)生較大水平剪力，隨著墩高增大，剛度減小，主梁恒載下的彎矩圖逐漸接近連續(xù)梁，同時墩底彎矩也驟然降低，反之亦然。可見，連續(xù)剛構橋墩柱基礎不僅承受豎向壓力，還承受較大的水平荷載。因此，蓮塘三項目橋梁的部分矮墩短樁基礎直徑達到2.5m，嵌巖深度超過6m，均由水平剪力控制。

4 施工工藝流程

蓮塘三項目橋梁施工采用節(jié)段預制、懸臂拼裝工藝。

4.1 梁段預制

節(jié)段預制采用占地少，適應性強的短線法，即在同一地方用固定的模板將所有節(jié)段預制出來，每次通過調(diào)整匹配節(jié)段相對于待澆節(jié)段的空間位置來保證梁體的設計線形。主要生產(chǎn)流程為：

（1）在樣板內(nèi)組裝鋼筋骨架；

（2）配置鋼筋骨架、放入預應力管道；

（3）將鋼筋骨架吊裝到模板內(nèi)；

（4）調(diào)整澆筑設備、定位及模板密封處理；

（5）澆筑混凝土并抹光表面；

（6）混凝土養(yǎng)護；

（7）脫模、匹配節(jié)段移至存放場，新澆節(jié)段成為匹配節(jié)段。

4.2 拼裝方法

蓮塘三項目的B1橋選用節(jié)段橋面起吊拼裝法，主要流程為：

（1）將節(jié)段運至橋墩旁；

（2）使用起吊設備將節(jié)段吊起；

（3）使用平車將吊著節(jié)段的起吊設備沿軌道運至懸臂位置；

（4）使用起吊設備提升節(jié)段到最終高程并進行拼裝。

節(jié)段拼裝時，綜合考慮節(jié)段自重、預應力、徐變、墩柱撓曲、重力在接縫處引起的彈性和非彈性形變以及施工幾何誤差等因素，按組合撓度的計算值校對設計理論高程，以控制懸臂節(jié)段的位置。

4.3 接頭處理

懸臂拼裝關鍵在于預制節(jié)段接頭的處理，為保證預制節(jié)段對接并滿足受力要求，結合面設計了許多凹凸的剪力鍵構造（見圖2），并涂以耐久性好的環(huán)氧樹脂黏結劑，待節(jié)段拼裝到位后，再施加預應力?？紤]到這種干接頭的施工特點，接縫必須相互密貼，結合面上的剪力主要由摩阻力抵抗，因此，配置了足額的體外預應力索，使各結合面永遠受壓且保證不產(chǎn)生相對滑動。

5 結語

連續(xù)剛構橋是一種經(jīng)濟合理、施工安全可靠的橋型，與其他橋型相比，具有橋跨布設能靈活適應自然條件，施工方便可行，行車和抗震效果良好等獨特優(yōu)勢，符合安全、經(jīng)濟、適用、美觀等設計原則，值得研究和推廣。

[1]Highway Department Hong Kong.Structures Design Manu?al for Highways and Railways(2006)[M].Hong Kong:Pub?lications Sales Unit,2006.

[2]馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構橋[M].北京：人民交通出版社，2001.