翟 曉 斌

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙　410014；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌　443002)

鯉魚塘水庫排沙放空洞交通橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翟 曉 斌1、2

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410014；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002)

摘要：鯉魚塘水庫排沙放空洞交通橋橋墩置于軟巖上，墩身高達(dá)22.051 m，承受較大的橫向力。經(jīng)選用實(shí)體式橋墩并對(duì)其基礎(chǔ)及巖基采用錨筋、錨索、網(wǎng)格梁等加固型式進(jìn)行處理后完建，通過八年多時(shí)間的安全運(yùn)行，證明以上措施較好地解決了工程難題。

關(guān)鍵詞：交通橋；橋梁基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鯉魚塘水庫

1工程概述

鯉魚塘水庫為重慶市開縣境內(nèi)的Ⅱ等大(2)型工程，水庫正常蓄水位高程450 m，總 庫 容 為

1.034 5億m3，首部樞紐混凝土面板堆石壩最大壩高103.8 m，采用右岸岸邊開敞式溢洪道、左岸排沙放空洞、左岸引水隧洞和岸邊地面廠房的總體布置方案。該水庫排沙放空洞與引水隧洞并行布置在左岸，兩洞進(jìn)口設(shè)置成“雙塔”型式，排沙放空洞頂部進(jìn)口檢修塔頂設(shè)有交通橋與左岸上壩公路相連，該交通橋也是左岸引水隧洞頂部通往壩址左岸的唯一通道。

該橋橋址位于排沙放空洞進(jìn)口左岸邊坡，自然坡角45°，基巖裸露，巖性組合為砂巖、粉砂巖、泥巖互層結(jié)構(gòu)，泥巖巖性軟弱，泡水易軟化。橋墩基礎(chǔ)地基允許承載力為1.5～3 MPa。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，地震基本烈度小于Ⅵ度，按Ⅵ度設(shè)防。

橋式結(jié)構(gòu)為(2×20)m連續(xù)橋面簡(jiǎn)支梁，全長(zhǎng)40 m，立面結(jié)構(gòu)見圖1。橋梁采用20 m裝配式鋼筋混凝土T形梁，橋梁凈寬度為4 m，設(shè)計(jì)荷載為汽車—15級(jí)、掛車—80[1]；在墩頂及臺(tái)頂每梁梁端各設(shè)200 mm×300 mm×49 mm板式橡膠支座1個(gè)，全橋共設(shè)8個(gè)。

橋梁的下部結(jié)構(gòu)采用C20鋼筋混凝土實(shí)體墩；岸邊橋臺(tái)采用U形重力式橋臺(tái)，橋臺(tái)材料為C15埋石混凝土，橋臺(tái)基礎(chǔ)尺寸為6.6 m×7.905 m×9.3 m(順橋向×橫橋向×高度)。

當(dāng)?shù)仄咴路萜骄鶜鉁貫?0 ℃，極端最高氣溫為42 ℃，一月份平均氣溫為5 ℃。要求簡(jiǎn)支梁安裝及橋面連續(xù)施工的溫度為15 ℃～25 ℃，伸縮縫安裝溫度為15 ℃～25 ℃。

橋墩與橋臺(tái)均為明挖基礎(chǔ)。鑒于橋臺(tái)型式較為常見，故不再贅述，筆者主要介紹該橋的橋墩、基礎(chǔ)及附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)。

2下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1橋墩結(jié)構(gòu)型式

考慮到該橋墩位于深水庫(庫水深為90 m)中且處于泄水建筑物進(jìn)口附近，水流波動(dòng)較大，故橋墩采用圓端形實(shí)體重力墩，橋墩側(cè)坡坡比為59.86∶1，墩身壁厚1.1～1.8 m，寬3.3～4 m，高22.051 m。墩頂設(shè)墩帽，墩帽尺寸為1.2 m×4.4 m×1.4 m(順橋向×橫橋向×高)，墩帽頂設(shè)外露式墊石以放置橡膠支座，兩側(cè)矩形端頭高出墩帽頂0.3 m做防震擋板。

2.2橋墩設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1制動(dòng)力取值

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)橋涵為一或二車道時(shí)，汽車荷載產(chǎn)生的制動(dòng)力為布置在荷載長(zhǎng)度范圍內(nèi)一行汽車車隊(duì)總重力的10%，但不小于一輛重車的30%[2]、[3]。對(duì)于所選定的汽車荷載，在40 m范圍內(nèi)，全橋可布置一輛200 kN的加重車和兩輛150 kN的標(biāo)準(zhǔn)車[1]、[3](圖2)，根據(jù)比較，將制動(dòng)力取為60 kN。制動(dòng)力按墩臺(tái)及支座頂部集成剛度進(jìn)行分配[3]，兩側(cè)橋臺(tái)各為20.16 kN，橋墩為19.67 kN。

2.2.2荷載計(jì)算分析

對(duì)于該工程，橋梁承受的荷載主要有縱向水平力、風(fēng)壓力(含橫橋向和縱橋向)、浪壓力、豎向力四類,其中后三類荷載需考慮蓄水前后兩種情況。

圖1　橋式立面結(jié)構(gòu)圖(上游視 單位：mm)

圖2　汽車-15級(jí)荷載縱向分布圖(單位：m)

縱向水平力主要有溫度影響力、混凝土收縮影響力及制動(dòng)力等。其中溫度影響力為溫度變化(溫升或溫降)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，該工程考慮溫降20 ℃與溫升27 ℃。按規(guī)范[4]要求，簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)不計(jì)混凝土收縮影響力。但該工程因采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，落梁之前混凝土干縮尚不充分，故按溫降10 ℃考慮混凝土收縮效應(yīng)[3]。對(duì)縱向水平力進(jìn)行組合分析后得知：橋墩頂支座最大剪切變形正切值為0.08，小于橡膠支座允許剪切角正切值0.7，滿足規(guī)范要求[4]。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，橫橋向風(fēng)力按作用于欄桿、T梁及橋墩上考慮，縱橋向風(fēng)力不計(jì)橋面結(jié)構(gòu)及上承式梁所受的風(fēng)荷載，橋墩上的縱橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按橫橋向風(fēng)壓的70%乘以橋墩迎風(fēng)面積計(jì)算[2]。風(fēng)荷載計(jì)算成果見表1。

表1　風(fēng)荷載計(jì)算成果表

蓄水運(yùn)行工況，考慮橋墩長(zhǎng)邊方向浪壓力作用，經(jīng)計(jì)算得知，作用在橋墩上的浪壓力為149.58 kN，對(duì)墩身底彎矩為2 915.23 kN·m。

豎向力包括每個(gè)橋墩承受的恒載(結(jié)構(gòu)重力)、汽車-15級(jí)荷載(計(jì)沖擊力)、人群荷載、掛車-80荷載等。使墩身縱橋向受到最大偏心彎矩的汽車-15級(jí)的布置情況見圖2，橋橫向布置一列車。對(duì)豎向力進(jìn)行組合分析得知，支座承受的最大壓應(yīng)力為9.41 MPa，小于橡膠平均容許壓應(yīng)力10 MPa，滿足規(guī)范要求[4]。

2.2.3荷載組合分析

根據(jù)以上荷載分析得知，該工程荷載組合分為縱橋向與橫橋向兩類，縱橋向有4種荷載組合，詳見表2；橫橋向只有一種荷載組合，即恒載+汽車橫向偏心+橫向風(fēng)力組合。

對(duì)于各方向荷載組合，考慮縱、橫向風(fēng)力不同時(shí)計(jì)入，初步形成以下4種不利組合：

表2　縱橋向荷載組合分析表

注：(1)掛車不計(jì)制動(dòng)力，且不考慮與溫度變化影響力等非經(jīng)常性外力作用組合，不為控制組合，不作組合計(jì)算；

(2)[(溫降+混凝土收縮)影響力+制動(dòng)力]較之[溫升影響力+制動(dòng)力]為大，后者不作組合計(jì)算。

(1)組合1，蓄水前工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動(dòng)力)+縱向風(fēng)力荷載組合；

(2)組合2，蓄水前工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動(dòng)力)+橫向風(fēng)力荷載組合；

(3)組合3，蓄水運(yùn)行工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動(dòng)力)+縱向風(fēng)力、浪壓力荷載組合；

(4)組合4，蓄水運(yùn)行工況。恒載+汽車(橫向偏心)+(溫降、混凝土收縮力、汽車制動(dòng)力)+橫向風(fēng)力荷載組合。

以上4種組合的墩底截面外力計(jì)算成果見表3。

表3　墩底截面外力計(jì)算成果表

經(jīng)比較，以組合3為主控制設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)首先計(jì)算組合3，再對(duì)組合2加以驗(yàn)算。

2.2.4橋墩的縱橫向偏心距增大系數(shù)η

根據(jù)規(guī)范要求[4]，在計(jì)算偏心受壓構(gòu)件時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比l0/i>17.5的構(gòu)件，需考慮偏心距增大系數(shù)η。η與構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度l0有關(guān)。而要確定偏心距增大系數(shù)，需先確定構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度l0。對(duì)于縱橋向，其橋墩底端固結(jié)于基礎(chǔ)頂，上端受橡膠支座和相鄰各孔墩臺(tái)及其支座的彈性約束，l0按剛度集成方法[4]計(jì)算為34.82 m；對(duì)于橫橋向，由于相鄰各孔墩臺(tái)及其支座的彈性約束較弱，出于偏安全考慮，按一端固定，一端自由考慮，取l0=2l=44.102 m。

經(jīng)計(jì)算，對(duì)于該橋，橫橋向長(zhǎng)細(xì)比為45>

17.5，需考慮偏心距增大系數(shù)；而縱橋向一般均須考慮偏心距增大系數(shù)?？v橫向偏心距增大系數(shù)按文中“2.2.3”節(jié)荷載組合情況分別進(jìn)行計(jì)算。

2.2.5墩身配筋設(shè)計(jì)

橋墩截面按雙向偏心受壓構(gòu)件采用式(1)進(jìn)行驗(yàn)算[4]。

(1)

式中Nj為軸向力設(shè)計(jì)值；Nux為按軸向力及彎矩作用于x軸方向、考慮偏心距增大系數(shù)ηx后截面偏心受壓承載力設(shè)計(jì)值按一般單向偏心受壓構(gòu)件計(jì)算；Nuy為按軸向力及彎矩作用于y軸方向、考慮偏心距增大系數(shù)ηy后截面偏心抗壓能力，按一般單向偏心受壓構(gòu)件計(jì)算；Nuo為截面軸心抗壓承載力設(shè)計(jì)值，但不考慮縱向彎曲系數(shù)φ。

根據(jù)上述分析，將有關(guān)數(shù)值代入式(1)，經(jīng)計(jì)算并考慮結(jié)構(gòu)斷面構(gòu)造要求[4]，墩身主筋選用56φ28(Ⅱ級(jí)鋼筋)。

最后尚需對(duì)墩身進(jìn)行施工工況驗(yàn)算[2]。此時(shí)在考慮上部結(jié)構(gòu)單向偏心加載時(shí)，僅計(jì)及上部結(jié)構(gòu)自重和順橋向風(fēng)力，按順橋向單向偏心受壓計(jì)算，單孔上部結(jié)構(gòu)自重僅計(jì)及梁體預(yù)制及現(xiàn)澆混凝土、橋面鋪裝混凝土，經(jīng)驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)安全。

2.3橋墩基礎(chǔ)處理

C20實(shí)體混凝土墩基礎(chǔ)置于左岸擴(kuò)挖邊坡上，基礎(chǔ)尺寸為5.65 m×5.6 m×8.5 m(順橋向×橫橋向×高)，基礎(chǔ)底部高程為421.5 m。由于該橋墩基礎(chǔ)基巖巖性組合中泥巖占52%，其開挖暴露在空氣中后經(jīng)冷熱及干濕循環(huán)極易崩解，強(qiáng)度迅速降低，故橋墩基礎(chǔ)巖基開挖到位后應(yīng)立即進(jìn)行封閉，同時(shí)迅速采用錨索、網(wǎng)格梁、錨筋等構(gòu)造措施將橋墩基礎(chǔ)及其附近巖坡進(jìn)行加固處理，將基礎(chǔ)與地基連成一體、共同承力，以確?；A(chǔ)安全，具體作法為：

(1)在橋墩基礎(chǔ)與巖石交接部位設(shè)錨筋與錨索。錨筋采用φ25、設(shè)6排、共12根，錨筋孔深5 m，錨索采用1 000 kN粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索，設(shè)2排、共4根，每排深入基巖深度分別為25 m、35 m；

(2)橋墩基礎(chǔ)下部開挖邊坡設(shè)網(wǎng)格梁、錨索與錨筋。在高程419 m邊坡處設(shè)置8 m長(zhǎng)C30混凝土網(wǎng)格梁一道，內(nèi)設(shè)2根1 000 kN錨索，深入基巖30 m；網(wǎng)格梁內(nèi)上下側(cè)另各設(shè)1排、共8根φ25錨筋，孔深2.5 m。此外，在網(wǎng)格梁外上、下高程417.5 m和420.5 m邊坡處各設(shè)1排、共8根φ32錨筋，間距3 m，孔深8.7 m。

3結(jié)語

排沙放空洞交通橋下部結(jié)構(gòu)于2007年4月6日開始澆筑，6月27日完成澆筑，8月底水庫開始蓄水，蓄水過程中的交通橋形象見圖3、4。目前，該工程已安全運(yùn)行近9年，實(shí)際情況證明該橋下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是較為成功的。

圖3　工程蓄水至高程391 m時(shí)的交通橋

圖4　工程蓄水至高程442 m時(shí)的交通橋

排沙放空洞交通橋作為鯉魚塘水庫“雙塔”運(yùn)行、檢修的要道，設(shè)計(jì)人員對(duì)其下部結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)型式、受力及整體構(gòu)造要求上都進(jìn)行了嚴(yán)密的思考與分析，最終形成了一個(gè)安全適用、結(jié)構(gòu)合理、型式美觀的設(shè)計(jì)方案并予以實(shí)施，取得了較好的效果，從而為軟巖地區(qū)水庫的橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]GBJ22—87, 廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG D60—2004, 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[3]袁倫一. 連續(xù)橋面簡(jiǎn)支梁橋墩臺(tái)計(jì)算實(shí)例(修訂版)[M].北京：人民交通出版社, 1998.

[4]JTG D62—2004，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[S].

收稿日期:2015-12-12

中圖分類號(hào):[TU997];TV7;TV222

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1001-2184(2016)03-0073-04

作者簡(jiǎn)介:

翟曉斌(1980-)，男，河南鞏義人，副主任工程師，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)