李盛洋，王利光，陳杏枝

(1.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司 武漢市 430051； 2.武漢青山長江大橋建設有限公司 武漢市 430019)

1 工程概況

青山長江公路大橋是武漢市四環(huán)線工程的一部分，是形成連接東部、北部新城組群內(nèi)部發(fā)展過程中具有復合交通功能的快速通道。項目起點連接四環(huán)線北湖至建設段，終點連接四環(huán)線武湖至吳家山段。其中南汊主航道橋為(350+938+350)m的雙塔雙索面鋼箱及鋼箱結(jié)合梁斜拉橋，北汊副航道橋為(65+3×110+65)m預應力混凝土連續(xù)箱梁橋[1]。

2 跨徑布置

根據(jù)通航論證報告，北汊航道橋梁單孔單向通航凈寬不應小于68m，單孔雙向通航凈寬不應小于123m，凈空高度不小于18m。綜合經(jīng)濟適用的原則，最終按照三個通航孔設計，單個通航孔主跨跨徑為110m。在保證主跨跨徑的基礎(chǔ)上，考慮結(jié)構(gòu)受力的合理性，盡量滿足邊跨與通航孔跨徑相匹配，從而達到功能、受力、景觀等多方面的協(xié)調(diào)統(tǒng)一?？鐝讲贾萌鐖D1所示。

圖1 北汊副航道橋跨徑布置圖(單位：m)

3 結(jié)構(gòu)形式的選擇

根據(jù)最高通航水位與通航凈空的要求，北汊副航道橋主墩高度均在30m以上，在初步設計過程中，對變截面連續(xù)剛構(gòu)與變截面連續(xù)箱梁進行對比分析。

經(jīng)過對比分析，在采用連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式下，39及42號橋墩墩底在溫度力下，最大拉應力達3.67MPa，橋墩基礎(chǔ)產(chǎn)生較大不平衡力。最終連續(xù)剛構(gòu)方案調(diào)整為將39及42號墩頂設置為活動支座，在40及41號墩設置為空心墩的剛構(gòu)與連續(xù)梁的組合形式，即剛構(gòu)-連續(xù)梁方案。

對比兩種方案，連續(xù)梁方案在靜力計算中具有一定優(yōu)勢，橋墩在溫度力下，承受較小不平衡力，梁體可自由伸縮，實現(xiàn)力的釋放；剛構(gòu)-連續(xù)梁方案在靜力計算中，橋墩墩底承受一定拉應力，空心墩最不利荷載作用下產(chǎn)生1.78MPa拉應力。剛構(gòu)-連續(xù)梁方案在動力計算中則顯現(xiàn)出一定優(yōu)勢，通過40及41號墩固結(jié)，結(jié)構(gòu)在地震動作用下，由中間兩個主墩分擔縱向地震力，較大地減輕單個主墩的地震荷載；對于連續(xù)梁方案，由于三個主跨的主梁縱向地震力均由40#主墩承受，對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)較為不利。

經(jīng)過對比分析，考慮以下因素：連續(xù)梁方案在靜力上具有較好優(yōu)勢，且主梁受力合理，結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)一；通過采用減隔震支座，將E1地震作用由固定墩承擔；E2地震動下，通過減隔震支座，由多個橋墩的墩頂支座共同耗能，也可以取得較好的抗震性能。最終選擇連續(xù)梁方案為推薦方案。

4 結(jié)構(gòu)設計

4.1 箱梁構(gòu)造設計

箱梁采用C50混凝土，橫向為分離的單箱雙室截面，主梁頂寬20.25m，兩側(cè)翼緣寬均為3.75m，底寬12.75m，每幅橋面設單向2%的橫坡。連續(xù)箱梁中跨墩頂支點處梁高7m，跨中處梁高為3m，梁高為二次拋物線漸變。

頂板懸臂端厚20cm，距離端部2m處設置轉(zhuǎn)折點，相應位置處頂板厚50cm，懸臂板根部厚75cm。箱室內(nèi)頂板厚度32cm，頂板厚度不變，在支點位置處加厚至60cm。底板采用變厚度布置，支點處厚度為100cm，跨中厚度為30cm，采用二次拋物線漸變。為適應不同位置處截面剪力，共設置三種腹板厚度。支點處腹板厚度為110cm，自根部到0號塊端部漸變至70cm，中部30m長度主梁為等厚腹板，隨后兩個節(jié)段，腹板漸變至50cm直至跨中。單箱三室結(jié)構(gòu)，中腹板沿主梁橫向中心線漸變，邊腹板沿腹板外緣線漸變。

0號塊長度為11m，箱梁底部設置4m等高段，中支點處隔板厚3m，隔板底部設置1.6×1.2m人孔。為減小最大節(jié)段重量，1號塊長度僅設置為2.5m；2至7號節(jié)段長3m；8至14號節(jié)段長4m；合龍段長2m；兩端邊跨共設置8.8m現(xiàn)澆段。為提高箱梁整體性，在本橋邊跨跨中及中跨1/3跨位置處布置隔板，跨中隔板厚度為35cm。邊支點隔板厚度為1.8m，底部設置1.6×1.2m人孔。

在主梁端部，通過在端部設置35cm預應力張拉槽，并設置20cm后澆段，兩端接線橋梁35cm張拉槽，提供90cm張拉作業(yè)空間，保證后期邊跨頂?shù)装孱A應力束梁段張拉的可操作性。梁端張拉槽及后澆段設置如圖2所示。

圖2 梁端預應力張拉空間預留圖(單位：cm)

4.2 箱梁預應力設計

本橋在箱梁腹板及頂、底板中配置縱、橫、豎三向預應力；在0號塊墩頂隔板內(nèi)配置橫向預應力?？v向及橫向預應力鋼筋采用ΦS15.2鋼絞線，豎向預應力及0號塊隔板橫向預應力采用JL32精軋螺紋粗鋼筋。

(1)縱向預應力

主梁縱向按照全預應力構(gòu)件設計[2]，箱梁內(nèi)設置腹板束、頂板束及底板束。腹板束采用15-22型鋼束，中腹板布置于中心線處，邊腹板預應力布置于距離外邊緣31cm位置處。懸臂段頂板束沿腹板束中心線對稱布置，頂板束采用15-19型鋼束，橫向布置間距為20cm。本橋邊跨現(xiàn)澆段較短，單個箱室僅設置4根15-19的頂板束，布置于邊跨頂板；為避免邊跨節(jié)段應力突變，邊跨頂板束采用四種長度布置，保證預應力均勻過渡。邊跨頂板束長度較小，均采用單端張拉形式。中跨與邊跨底板束均采用15-15型鋼束，布置于底板中部，中跨底板束兩端均采用齒塊錨固，端部底板束跨中側(cè)錨固于齒板，端部錨固于端橫梁。為避免邊跨頂板束在主梁端部頂緣產(chǎn)生的二次力，邊跨底板束端部均設置較長彎起段。

(2)頂板橫向預應力

沿主梁長度方向按照50cm間距，于頂板設置橫向預應力。橫向預應力采用15-3型預應力束，張拉端采用扁錨。橫向預應力沿橋梁橫向?qū)ΨQ布置，為保證端部錨固空間，懸臂板端部距離梁頂緣10cm，于距離端部1m位置處開始漸變，通過80cm長漸變段，漸變至距離頂板頂緣8.5cm。橫向預應力均為單端張拉，考慮其受力合理性，張拉端沿梁長交錯布置。

(3)腹板豎向預應力

根據(jù)不同的腹板寬度，設置不同的豎向預應力布置形式。50cm厚度腹板設置單根豎向預應力，豎向預應力沿腹板束交錯布置；70cm厚度腹板設置雙根豎向預應力，腹板束兩側(cè)各布置一根。豎向預應力束縱向間距為50cm。

(4)0號塊隔板橫向預應力

為提高主墩支點隔板橫向抗裂性能，在0號塊隔板設置了橫向預應力。對于大跨徑變截面連續(xù)箱梁橋，墩頂根部截面高度較大情況下，將隔板設計成全預應力或A類預應力構(gòu)件，需要布置較多預應力鋼束，方使得混凝土截面應力達到規(guī)范要求。對于跨徑小，截面大的橫向隔板，按照預應力構(gòu)件進行設計會導致截面承載力富余量過大。本橋底板總寬12.75m，橫向設置雙支座，隔板橫向理論跨徑7.8m，凈跨徑6.6m；0號塊墩頂隔板高7.0m，寬3.0m。本橋設計過程中，將橫梁按照鋼筋混凝土構(gòu)件考慮，驗算其承載力滿足設計要求下，配置橫向預應力為隔板提供橫向壓應力儲備。在這種設計理念下，0號塊隔板共設置三層橫向預應力，每層布置5根，縱向間距50cm。

4.3 橋墩及基礎(chǔ)設計

(1)橋墩設計

主墩為鋼筋混凝土實心墩，主墩39～42號墩順橋向?qū)?.5m，橫橋向?qū)?1.0m。為保證主墩外形與標段內(nèi)其他橋墩的協(xié)調(diào)性，最終橋墩斷面調(diào)整為兩側(cè)3.5m×3.2m矩形體，中間為2.5m×4.6m矩形相連的形式；兩側(cè)矩形體四角設置R=50cm圓弧。

邊墩與主墩外形相似，底部截面與主墩一致。為保證墩頂兩側(cè)橋梁邊支座的布置空間，邊墩頂部順橋向?qū)挾葹?.0m，墩頂設置2m等厚段，墩身漸變段為10m，從上至下，由4.0m漸變至3.5m。

橋墩設計過程中，考慮后期制作更換的作業(yè)空間，在墩頂設置了80cm深度的支座更換槽。由于采用減隔震支座，支座高度較高；通過加強支座墊石配筋，將抗震擋塊由支座墊石支撐，優(yōu)化了擋塊尺寸。見圖3。

圖3 墩頂布置示意圖

(2)基礎(chǔ)設計

北汊副航道橋主墩采用17.0m×10.75m方形承臺，承臺厚4.0m。單幅主墩基礎(chǔ)采用6根直徑2.5m鉆孔灌注樁，按照兩排3根樁基布置，樁中心間距6.25m，主墩樁長為80～86m不等。交接墩采用13.6m×8.6m方形承臺，承臺厚3.5m，單幅基礎(chǔ)采用6根直徑2.0m鉆孔灌注樁，樁中心間距5m，樁長65m。

5 施工方法

北汊副航道橋基礎(chǔ)采用先平臺后圍堰法的施工方法。先插打鋼管樁，搭建施工平臺；下沉鋼護筒后，安裝鉆機進行鉆孔；隨后吊放鋼筋籠，澆注鉆孔樁。在鉆孔灌注樁施工完成后，進行平臺清理，隨后下放圍堰至設計高程。對圍堰內(nèi)底板進行水下清理工作后，進行圍堰封底混凝土施工；封底混凝土采用水下垂直導管法灌注。待封底混凝土強度達到設計要求后對圍堰內(nèi)進行抽水，然后施工承臺。墩身模板采用整體鋼模板，通過3節(jié)鋼模板翻模循環(huán)施工，即頂節(jié)模板不動，拆除下節(jié)段模板安裝在頂節(jié)模板上，連續(xù)循環(huán)翻轉(zhuǎn)。

完成墩體施工后，在主墩附近搭設臨時支架，隨后澆注0號塊。主梁節(jié)段采用懸臂澆注法施工[3]，設計最大掛藍及模板重量按照1200kN考慮。本橋為多孔連續(xù)梁，對比分析后，采用先合龍邊跨，隨后合龍次邊跨，最后合龍中間跨的合龍形式。主梁合龍采用外部勁性骨架支撐，合龍完成后拆除外部勁性骨架[4]。

6 主要創(chuàng)新點

(1)合理選取結(jié)構(gòu)體系。結(jié)合橋梁實際建設條件，為確定合理的結(jié)構(gòu)體系和總體布置，設計研究比較了連續(xù)梁及剛構(gòu)-連續(xù)梁兩種結(jié)構(gòu)體系在力學性能上的優(yōu)劣，分析了在靜力及動力作用下不同體系對結(jié)構(gòu)受力的影響。最終結(jié)合結(jié)構(gòu)耐久性等因素，采用連續(xù)梁體系加減隔震支座的方式，使得結(jié)構(gòu)在靜力及動力作用下均有較好的結(jié)構(gòu)性能。

(2)合理確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型。橋梁縱向按照全預應力混凝土構(gòu)件進行設計，保證結(jié)構(gòu)在正常使用及承載能力極限狀態(tài)下均有一定儲備。0號塊墩頂隔板按照鋼筋混凝土構(gòu)件設計，避免過多橫向預應力的配置，僅設置橫向預應力鋼束增加其橫向壓應力儲備。

(3)增加在構(gòu)造細節(jié)上的考慮。在主梁端部增設預應力張拉槽，并設置混凝土后澆段，為施工過程中邊跨預應力鋼束的張拉預留空間；主墩及輔助墩墩頂設置支座更換槽，方便后期支座更換作業(yè)；優(yōu)化了擋塊設計，通過加強墊石鋼筋配置，將擋塊由支座墊石支撐，減小擋塊長度。

7 結(jié)論

結(jié)合北汊副航道橋的特點，介紹了多跨高墩預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁在結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及構(gòu)造細節(jié)上的設計，同時對其主要施工方法進行了介紹。變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁橋是目前較為普遍的一種橋型，本橋設計過程中的構(gòu)思和考量可為其他類似項目的建設提供參考與借鑒。