袁宏波，王寶陽，鄒黎瓊

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 武漢市 430051)

0 引言

湖北省地勢處于第二階梯至第三階梯過渡區(qū)，鄂東、鄂西、鄂北三面環(huán)山，山地約占全省面積的55.5%。近年來湖北省高等級公路發(fā)展迅猛，公路骨架網(wǎng)絡(luò)基本形成，高等級公路建設(shè)逐漸推向鄂西、鄂東等邊遠(yuǎn)山區(qū)地帶。受限于地形、地質(zhì)條件山區(qū)公路不可避免地需要跨越深溝峽谷，普遍橋墩高度較大，墩身位移較大，連續(xù)梁橋已不是合適橋型，采用橋梁墩和主梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)橋，適應(yīng)了結(jié)構(gòu)變形，改善了上構(gòu)受力，是一種比較適合山區(qū)修建的橋型。該橋型的主要特點是結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜、高墩穩(wěn)定性難以滿足等。以鄂西山區(qū)一座典型的高墩連續(xù)剛構(gòu)橋——雞公嶺大橋為例，對其結(jié)構(gòu)受力和高墩穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以期積累設(shè)計經(jīng)驗并提供參考。

1 工程概況

1.1 總體設(shè)計

雞公嶺大橋是位于湖北省巴東縣巴東長江大橋至平陽壩段一級公路項目上的一座典型的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁，主橋為(60+100+60)m全預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，圖1為雞公嶺大橋立面布置圖。

圖1 橋型布置圖

1.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

(1)汽車荷載等級：公路-I級。

(2)設(shè)計車速：80km/h。

(3)抗震按7度等級措施設(shè)計。

(4)設(shè)計洪水頻率:1/300。

(5)環(huán)境類別：I類。

(6)安全等級：一級。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計計算參數(shù)取值

(1)恒載：

①一期恒載包含現(xiàn)澆的混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束的重量，取值為γ容重=26kN/m3；

②二期恒載包括橋面鋪裝和護(hù)欄系統(tǒng),理論計算分析時考慮總?cè)葜貫?8kN/m。

(2)車輛荷載根據(jù)規(guī)范按公路-I級施加；并且考慮1.15倍的偏載作用；沖擊系數(shù)根據(jù)橋梁通規(guī)中相應(yīng)公式計算取值。

(3)收縮徐變：混凝土的收縮徐變參數(shù)按混凝土設(shè)計規(guī)范進(jìn)行，在程序中通過定義材料的收縮徐變參數(shù)來實現(xiàn)。

(4)溫度影響：

體系升溫：25℃；體系降溫：25℃；合龍段溫度15℃±3℃。

橋面板局部升降溫：

正溫度梯度：t1=14℃，t2=5.5℃

負(fù)溫度梯度：t1=-7℃，t2=-2.75℃

(5)基礎(chǔ)變位影響:主墩基礎(chǔ)和邊跨支座沉降按10mm取值。

(6)靜風(fēng)作用：橋址區(qū)風(fēng)速取值按24.5m/s考慮。

2.2 上部構(gòu)造設(shè)計

本橋主橋為全預(yù)應(yīng)力單箱單室結(jié)構(gòu)，配置了縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束；主橋結(jié)構(gòu)采用變高度設(shè)計，主橋墩頂0號梁段梁高為7.2m，邊跨現(xiàn)澆段箱梁高度為2.6m，中跨跨中合龍段箱梁高度為2.6m，中間按1.8次方變化；箱梁頂部寬度為11.25m，底部寬度6.5m；為了充分發(fā)揮連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)材料特點，主梁頂、底板以及腹板均采用變厚度設(shè)計，具體設(shè)計參數(shù)如下：腹板f1=50∶90cm、底板b1=35∶100cm，見圖2、圖3。主橋梁端支承段為130cm，合龍段寬度為2m。

圖2 跨中截面

圖3 支點截面

2.3 下部構(gòu)造設(shè)計

雞公嶺大橋主橋橋墩由于墩高達(dá)到150m，為保證其強度、剛度和穩(wěn)定性滿足受力要求，橋墩采用空心薄壁結(jié)構(gòu)，設(shè)計的截面形式為空心八邊形箱型斷面(見圖4)，橋梁墩頂橫向?qū)?.6m，順橋向?qū)?.0m；由于墩高較高，考慮到上部結(jié)構(gòu)以及墩身自重及橋梁穩(wěn)定性方面的考慮，每肢薄壁墩橫橋?qū)挾妊囟崭甙凑战嵌?.01°進(jìn)行加寬至墩底截面，墩頂處截面形式見圖4。

圖4 主墩截面形式

3 主橋靜力計算

采用MidasCIVIL 2017對雞公嶺大橋連續(xù)剛構(gòu)主橋進(jìn)行縱向整體計算分析。上構(gòu)箱梁共劃分為271個單元，下構(gòu)橋墩共劃分為285個單元，結(jié)構(gòu)有限元模型見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)有限元分析圖

3.1 主梁持久狀況承載能力驗算

主梁在持久狀況承載能力極限狀態(tài)下的應(yīng)力云圖見圖6、圖7。

圖6 最大負(fù)彎矩承載能力極限狀態(tài)

主梁正截面抗彎承載能力驗算見圖8。

圖8 抗彎承載能力驗算

主梁斜截面抗剪承載能力驗算見圖9。

圖9 抗剪承載能力驗算

計算結(jié)果表明，主梁的抗彎、抗剪承載能力均符合混凝土設(shè)計規(guī)范規(guī)定。

3.2 主梁抗裂驗算

(1)本橋主梁為三向全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，在短期效應(yīng)組合下正截面上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖見圖10。

圖10 短期效應(yīng)組合正截面應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖10可知，主橋箱梁根部上緣最小1.57MPa，主橋箱梁墩頂上緣最小為3.09MPa，箱梁跨中下緣最小為3.27MPa。各部位最小應(yīng)力均滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范對正截面抗裂的要求。

(2)持久狀況下箱梁正截面法向壓應(yīng)力驗算

各單元截面上、下邊緣混凝土的壓應(yīng)力分布見圖11。

圖11 正截面混凝土法向壓應(yīng)力

計算結(jié)果表明，主梁混凝土壓應(yīng)力σ壓應(yīng)力=12.89MPa<17.75MPa(規(guī)范限值)。

(3)預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力驗算

查看預(yù)應(yīng)力鋼束單元的應(yīng)力情況可知，σ拉應(yīng)力=1189MPa<1209MPa(規(guī)范限值)，符合規(guī)范規(guī)定。

(4)撓度驗算

主梁撓度計算根據(jù)規(guī)范條文進(jìn)行計算，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的長期撓度值為42mm，小于規(guī)范規(guī)定值L/600=166.7mm，滿足相關(guān)規(guī)范對撓度的要求。

3.3 下部構(gòu)造結(jié)構(gòu)計算

(1)持久狀況承載能力驗算

2號主墩墩高144m、3號主墩墩高155m，下部構(gòu)造橋墩基本對稱，選擇相對較高的3號橋墩為計算對象。其持久狀況承載能力包絡(luò)圖見圖12。

圖12 承載能力彎矩圖和應(yīng)力圖

持久狀況承載能力驗算結(jié)果表明，3號雙肢薄壁墩各單元截面的承載力均達(dá)到相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

(2)正常使用極限狀態(tài)抗裂驗算。

主橋2個主墩墩身在正常使用極限狀態(tài)下的最大裂縫計算結(jié)果表明，2號主墩受力最不利，最大裂縫為0.16mm，滿足規(guī)范裂縫限值0.2mm的要求。

4 穩(wěn)定性驗算

采用Midas2017進(jìn)行全橋穩(wěn)定性驗算分析?？紤]到橋墩在施工過程中的最大懸臂狀態(tài)和成橋合龍狀態(tài)受力最為不利，分別建立這兩種狀態(tài)的計算模型。

4.1 最大懸臂階段穩(wěn)定性分析

連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段的穩(wěn)定性驗算，即驗算最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性，本橋選取最高的右幅3#墩，驗算的荷載包括施工荷載、風(fēng)荷載等，并且考慮兩端梁段自重差(左側(cè)增加4%,右側(cè)減少4%)，掛籃不平衡重(掛籃重800kN)、掛籃突然墜落(產(chǎn)生彎矩3000kN·m)，以及風(fēng)荷載等。

3號主墩施工最大懸臂階段橋墩的穩(wěn)定驗算結(jié)果見圖13、圖14。

圖13 一階振型圖

圖14 二階振型圖

驗算結(jié)果表明施工過程最大懸臂階段主墩一階為縱向失穩(wěn)，特征值系數(shù)為8.81；二階為橫向失穩(wěn)，特征值系數(shù)為13.58。

4.2 成橋階段穩(wěn)定性分析

成橋時橋上的荷載有結(jié)構(gòu)自重作用、車輛作用及靜風(fēng)作用，并考慮溫度、混凝土收縮及高墩不均勻沉降影響等，屈曲分析的前四階模態(tài)見表1。

表1 橋梁屈曲模態(tài)

驗算結(jié)果表明本橋施工最大懸臂階段和成橋階段穩(wěn)定性均滿足一類穩(wěn)定安全系數(shù)不小于4的要求，結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。

圖15 一階穩(wěn)定模態(tài)

5 結(jié)束語

隨著我國高等級公路路網(wǎng)的不斷加密，不斷向偏遠(yuǎn)山區(qū)推進(jìn)，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁將會建設(shè)得越來越多。以雞公嶺大橋為例，擬定了上下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造和尺寸，采用常用的有限元程序進(jìn)行了主橋靜力計算和高墩穩(wěn)定性分析，實際上是介紹了連續(xù)剛構(gòu)這種橋型的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析的方法和內(nèi)容，為今后同類工程提供參照。