謝 峰

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 550081)

在山區(qū)修建高速公路時(shí)，一般以T梁橋和剛構(gòu)橋作為主要橋型方案?？缍仍?0 m內(nèi)多采用T梁橋方案，跨度大就采用剛構(gòu)橋方案；但若路線遇到深谷且兩側(cè)都是很陡峭的山崖時(shí)，如圖1所示，因在山體上無法立墩施工，T梁橋型方案存在較大風(fēng)險(xiǎn)，而剛構(gòu)橋的造價(jià)過高，施工周期較長(zhǎng)，后期運(yùn)營(yíng)下?lián)蠀柡?，T型剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)型式就體現(xiàn)出其特殊實(shí)用性。

T型剛構(gòu)橋在我國(guó)上世紀(jì)70、80年代用得較多[1]，最早都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，其梁高沿橋跨方向一般是變化的，墩頂截面處的負(fù)彎矩值最大，此處的梁高也是最高的。由于墩頂位置處較大負(fù)彎矩的存在，一般會(huì)產(chǎn)生裂縫，其跨越能力受到了制約。隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土T型剛構(gòu)橋梁發(fā)展成設(shè)置剪力鉸和帶掛梁2種形式，但二者存在以下缺陷：帶掛梁的形式因在跨內(nèi)同時(shí)存在著正彎矩和負(fù)彎矩，它們的截面積總和比跨中設(shè)置了剪力鉸時(shí)要小很多，并用牛腿取代了構(gòu)造更加復(fù)雜的剪力鉸；跨中帶掛梁的形式最大弊病是增加了橋面上伸縮縫的數(shù)量，嚴(yán)重制約了高速行車的順暢性，在施工中除了要有懸臂施工的配套機(jī)具設(shè)備外，還需要增加掛梁的預(yù)制、安裝及其所需的所有機(jī)具設(shè)備等，另外掛梁的部分嚴(yán)重制約了T構(gòu)懸出部分橫截面形式的選擇[2-5]。由于以上缺陷，現(xiàn)已不再采用帶剪力鉸和帶掛梁2種形式的T型剛構(gòu)橋。本項(xiàng)目因受地形限制，采用傳統(tǒng)T型剛構(gòu)橋這一結(jié)構(gòu)型式，以探究其在山區(qū)特殊地形的適用性。

圖1 山區(qū)特殊地形

Fig.1 Special terrain in the mountain area

1 工程概況

本項(xiàng)目為貴州省遵義至綏陽(yáng)高速公路延伸線，作為遵義中心城區(qū)與北部四縣聯(lián)系的高速快捷通道，是遵義城區(qū)向北輻射的重要通道。楓香堡大橋位于項(xiàng)目中段，地處貴州中北部黔北山地區(qū)域，屬綏陽(yáng)縣旺草鎮(zhèn)所轄。橋址區(qū)海拔656.0 m～835.0 m，相對(duì)高差179.0 m，地面高程在656.0 m～739.0 m之間，相對(duì)高差達(dá)73 m。地貌類型屬溶蝕-侵蝕型高山地貌。小樁號(hào)側(cè)橋臺(tái)位于陡崖上，坡度在70°以上，大橋跨越芙蓉江及省道S207，施工限制條件較多，楓香堡大橋作為整條高速公路的控制性工程尤顯重要，其橋位地形如圖2所示。

單位：cm

主要技術(shù)指標(biāo)：雙向4車道，設(shè)計(jì)荷載，公路I級(jí)；設(shè)計(jì)速度80 km/h；半幅橋面寬度0.5 m(防撞護(hù)欄)+11.125 m(車行道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)=12.125 m?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，橋區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，按Ⅶ度設(shè)防，橋梁類別為B類。設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100，本橋不受最高洪水位控制因素影響。本橋的混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境類別為Ⅱ類。

2 橋梁方案比選

橋區(qū)位于水源保護(hù)區(qū)，跨越芙蓉江及陡崖，方案應(yīng)盡可能保護(hù)環(huán)境。

2.1 橋梁方案

根據(jù)楓香堡大橋橋位地形地貌，綜合地質(zhì)、水文、路線線形及施工條件等因素，大橋工程可行性及初步設(shè)計(jì)階段提出了2個(gè)跨越溝谷的橋梁方案。方案1：上部構(gòu)造左、右幅均采用(2×63+4×40+4×40+5×40) m的T型剛構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，下部構(gòu)造采用空心墩、墻式墩及雙柱式圓形墩、重力式U型橋臺(tái)、樁柱式臺(tái)，左幅橋長(zhǎng)為655.5 m、右幅橋長(zhǎng)均為653 m；方案2：上部構(gòu)造左、右幅均采用(4×40+4×40+4×40+4×40)m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部構(gòu)造采用雙柱式圓形墩及矩形墩、重力式U型橋臺(tái)，橋梁全長(zhǎng)均為652 m。

2.2 橋梁方案比選

橋梁方案比選主要從環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)性、施工風(fēng)險(xiǎn)及施工工期4個(gè)方面進(jìn)行比較，如表1所示。

2.3 綜合比選

1) 環(huán)境影響方面。方案1需在陡崖上進(jìn)行大面積開挖及防護(hù)后進(jìn)行樁基施工，不可控，對(duì)環(huán)境影響較大；方案2采用一跨跨越陡崖的結(jié)構(gòu)形式，主墩基本無開挖，對(duì)環(huán)境影響小。

2) 經(jīng)濟(jì)性方面。從工程造價(jià)來說，方案1造價(jià)較低，但需在陡崖上施工橋墩，陡崖較陡，施工措施及防護(hù)費(fèi)用難以估算，費(fèi)用存在不可控風(fēng)險(xiǎn)；方案2造價(jià)較高，但是技術(shù)成熟，不在陡崖上立墩，風(fēng)險(xiǎn)可控，費(fèi)用變化也在可控范圍內(nèi)。

3) 施工風(fēng)險(xiǎn)方面。2個(gè)方案上部結(jié)構(gòu)施工工藝均較為成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)均可控；下部結(jié)構(gòu)施工為控制因素：方案1在陡崖上進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)施工，下部結(jié)構(gòu)施工機(jī)具設(shè)備無法上到陡崖，施工將導(dǎo)致較大面積開挖，而且陡崖一側(cè)為順層邊坡，防護(hù)工程量大，施工非常困難，施工風(fēng)險(xiǎn)難以克服；方案2雖然跨徑最大，但懸澆施工為常規(guī)施工工藝，特別是下部結(jié)構(gòu)施工難度相對(duì)容易，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小[6-12]。

表1 楓香堡大橋橋梁方案比選

4) 施工工期。方案1理論上工期相對(duì)較短，但下部基礎(chǔ)難度較大，工期不可控；方案2施工周期較長(zhǎng)，但施工工期在控制范圍之內(nèi)。

結(jié)合橋梁安全、經(jīng)濟(jì)、施工難易度等因素綜合比選，在造價(jià)相對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目增加不多、工期可控的情況下，楓香堡大橋最終結(jié)構(gòu)選取主跨(63+63)m T型剛構(gòu)進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。

3 楓香堡大橋設(shè)計(jì)

3.1 主橋設(shè)計(jì)

楓香堡大橋主橋上部為T構(gòu)(63+63) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，橋面寬24.5 m，分2幅，每幅橋箱梁采用單箱單室截面，箱梁頂寬12.125 m，箱梁底寬6.2 m，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)度分別為3.025 m、2.9 m。箱梁根部梁高6 m，端部梁高2.5 m，懸臂板端部厚15 cm，根部厚50 cm。箱梁根部底板厚100 cm，最小底板厚28 cm，梁高及底板厚從根部到跨中采用二次拋物線變化。～⑤號(hào)梁段腹板厚為60 cm，⑥號(hào)梁段腹板厚為60 cm～45 cm，⑦～號(hào)梁段腹板厚為45 cm，～號(hào)梁段腹板厚為45 cm～57.3 cm。箱梁頂板在支撐處變厚，箱梁頂設(shè)有2%的單向橫坡。墩頂號(hào)梁段長(zhǎng)11 m，T構(gòu)的懸臂各分為14對(duì)梁段，其梁段數(shù)及梁段長(zhǎng)度從根部至跨中各為6×3.5 m、6×4.5 m，邊跨合攏段長(zhǎng)3.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)4.42 m。主橋一般構(gòu)造如圖3所示。主橋上部構(gòu)造按全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，采用三向預(yù)應(yīng)力，縱、橫向采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度 1 860 MPa，設(shè)計(jì)錨下張拉控制應(yīng)力1 395 MPa。箱梁縱向鋼束和頂板橫向鋼束采用每股直徑為15.24 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，縱向鋼束采用圓錨體系，橫向鋼束采用扁錨體系；豎向預(yù)應(yīng)力筋采用精軋螺紋鋼筋；縱向預(yù)應(yīng)力束管道采用預(yù)埋塑料波紋管成孔，所有豎向預(yù)應(yīng)力均必須采用扭力扳手進(jìn)行二次張拉，且二次張拉時(shí)間應(yīng)在第一次張拉后約1個(gè)月左右。

由于楓香堡大橋橋位受地形限制，箱梁現(xiàn)澆段采用滿堂支架，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，不可控，為此本橋采用過渡墩頂進(jìn)行托架現(xiàn)澆施工[3]。為降低過渡墩及托架施工風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)澆段長(zhǎng)度需在可控范圍內(nèi)。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楓香堡大橋主墩最高60 m，初步設(shè)計(jì)為獨(dú)柱式墩和雙肢薄壁墩2個(gè)方案。考慮到懸臂澆筑施工T構(gòu)橋主墩應(yīng)具有最大懸臂狀態(tài)下的側(cè)向抗彎及抗傾覆能力，相較于獨(dú)柱墩，雙肢薄壁結(jié)構(gòu)能夠提供更強(qiáng)的抗彎能力，可確保施工中的穩(wěn)定性，故采用雙支薄壁墩。楓香堡大橋主橋的左、右幅橋墩墩身分離，左、右幅承臺(tái)連成整體。墩身采用寬2.5 m、長(zhǎng)6.2 m的雙薄壁實(shí)心墩截面，橫向與箱底同寬。主墩承臺(tái)厚4.0 m，基礎(chǔ)采用樁徑2.5 m的鉆(挖)孔灌注樁，主墩共8根樁(全橋?qū)?。墩身上部與箱梁固接，墩身下部與承臺(tái)固接。主橋橋墩一般構(gòu)造如圖4所示。

(a) 縱斷面

(b) 橫斷面

橋臺(tái)錐坡處設(shè)置排水溝時(shí)，在臺(tái)帽處溝頂應(yīng)低于臺(tái)帽擋塊，且不小于50 cm，以確保橋臺(tái)范圍內(nèi)排水通暢。

3.3 計(jì)算分析

楓香堡大橋主體結(jié)構(gòu)分幅設(shè)置，左、右幅橋均采用(63+63) m(T型剛構(gòu))+13×40 m(T梁)組合跨徑。主橋?yàn)閱蜹大懸臂結(jié)構(gòu)，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室箱梁，主墩采用雙肋式實(shí)心墩, 墩高60 m，主墩承臺(tái)采用2幅整體式承臺(tái)樁基礎(chǔ)。從施工橋墩到成橋及營(yíng)運(yùn)階段，采用有限元模型對(duì)其進(jìn)行模擬，如圖5所示。

主橋采用懸臂掛籃現(xiàn)澆施工，下部墩臺(tái)采用現(xiàn)澆施工。采用有限元軟件Midas進(jìn)行計(jì)算[13-15]，計(jì)算結(jié)果如下：

(a) 橫斷面 (b) 縱斷面

圖5 有限元模型

1) 本橋在活載作用下，跨中最大豎向下?lián)?.1 cm，小于JTG D60—2018《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》6.5.3條中“不超過計(jì)算跨徑1/600”的規(guī)定；2) 本橋在設(shè)計(jì)荷載組合作用下，截面均滿足承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度要求，所有截面受壓區(qū)高度均滿足規(guī)范要求；3) 在使用階段的應(yīng)力組合中，短期效應(yīng)組合作用下主梁應(yīng)力滿足規(guī)范要求；4) 在正常使用極限狀態(tài)及短期效應(yīng)組合下，混凝土正截面抗裂滿足JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.1條的規(guī)定；5) 高墩整體屈曲穩(wěn)定分析表明，墩結(jié)構(gòu)具有較高的安全系數(shù)，其安全系數(shù)達(dá)到21.7，大于7，滿足規(guī)范要求；6) 在施工階段中，墩頂出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，但滿足規(guī)范對(duì)混凝土拉應(yīng)力的規(guī)定；7) 施工過程中需要嚴(yán)格控制懸臂施工機(jī)具的重量，避免因施工機(jī)具過重，對(duì)主梁造成不利影響。

4 結(jié)論

貴州省地處云貴高原，省內(nèi)多山，地質(zhì)地形條件較為復(fù)雜，橋梁的選型既要考慮經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性，又要考慮避開復(fù)雜地質(zhì)地形，減少對(duì)現(xiàn)有環(huán)境的影響，楓香堡大橋主橋橋型采用主跨(63+63) m T型剛構(gòu)橋，具有以下特點(diǎn)：

1) T型剛構(gòu)橋?qū)ι絽^(qū)地形特別是貴州的山區(qū)地形適應(yīng)性較好，可減少開挖、減少防護(hù)工程、減少對(duì)原有生態(tài)環(huán)境的影響，同時(shí)預(yù)應(yīng)力混凝土 T 構(gòu)橋結(jié)構(gòu)受力明確，施工工藝簡(jiǎn)便。

2) T型剛構(gòu)橋?qū)嵸|(zhì)是剛構(gòu)橋的另一種形式，它可避免普通剛構(gòu)橋產(chǎn)生跨中下?lián)系牟『?，施工過程和普通剛構(gòu)橋一樣，采用懸臂施工方式，技術(shù)成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)可控。

3) 楓香堡大橋?qū)嵤┬Ч_(dá)到了設(shè)計(jì)之初的目標(biāo)，對(duì)芙蓉江及陡崖的環(huán)境影響都控制在最小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境最大程度的保護(hù)。