劉新華，李秋，彭元誠，張建仁

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.長沙理工大學)

1 引言

連續(xù)剛構橋技術發(fā)展成熟、結構受力清晰明確、與路線平縱曲線適應性強、橋面行車平穩(wěn)、運營期間橋梁管養(yǎng)工作投入成本較低。其主梁為現(xiàn)澆預應力混凝土結構，通常采用掛籃逐段對稱懸澆，避免了在橋下搭設臨時支架，因此連續(xù)剛構橋施工受地形條件限制較小，能夠很好地適應山區(qū)峽谷等復雜自然環(huán)境，已成為中國高速公路中最為常用的橋型方案。

雖然連續(xù)剛構橋造價不高且應用廣泛，但也存在一些缺點：主梁為混凝土結構，上部結構自重較大，恒載占比較高，嚴重制約其跨徑的發(fā)展，同時在高地震烈度地區(qū)，自重較大也意味著其整體結構的地震內(nèi)力較大?；诨炷敛牧鲜湛s徐變的特性，當跨徑較大時，連續(xù)剛構橋常常出現(xiàn)跨中下?lián)仙踔翆е麻_裂的情況。連續(xù)剛構橋通過配置體內(nèi)預應力束來增強截面的承載力，但體內(nèi)束的力臂受梁高限制，同時預應力束的數(shù)量也受截面布束空間限制，當跨徑較大梁段較多時，往往會出現(xiàn)截面配束空間有限且預應力損失較大的情況。由于以上原因，連續(xù)剛構橋的跨徑很難得到突破，目前中國所建連續(xù)剛構橋最大跨徑基本在220 m以內(nèi)。

拱梁組合空腹連續(xù)剛構橋充分結合普通連續(xù)剛構橋的優(yōu)勢，并在此基礎上進行改進。在主梁靠近主墩一定區(qū)域范圍內(nèi)將箱梁整體截面改變?yōu)樯舷路蛛x的兩個部分，并通過拉高根部截面高度在上下分離體之間形成空腹區(qū)，最終整體結構改變成拱梁組合式受力體系，在增加梁高的同時減輕了結構的自重，大大提高了主梁的承載能力，突破了普通連續(xù)剛構橋的最大跨徑。經(jīng)研究，拱梁組合空腹連續(xù)剛構橋的經(jīng)濟跨徑為220～360 m，在其經(jīng)濟跨徑區(qū)間內(nèi)，該橋型比其他橋型造價更經(jīng)濟、后期維護更方便，極具競爭力。

2 項目概況

云南莊特大橋位于湖北省恩施土家族苗族自治州鶴峰縣容美鎮(zhèn)廟灣村境內(nèi)，為路線跨九峰河溝谷而建設，橋位處為深切“V”形峽谷，谷底至橋面高差約為240 m，橋位軸線走向方位為SW204°，主橋采用造型優(yōu)美的拱梁組合空腹連續(xù)剛構橋，橋跨布置為(150+280+150) m=580 m，立面布置見圖1。橋梁為雙向四車道，標準寬度為25 m，分為左、右兩幅，單幅橋梁標準寬度為12.25 m，中央分隔帶為0.5 m。地震基本烈度為Ⅵ度，基本地震動加速度峰值值為0.05g，特征周期為0.35 s。

橋梁空腹區(qū)段箱梁上弦高度為6.5～5 m，斜腿高度為7 m；箱梁跨中高度為4.5 m；斜腿根部至梁頂中心高度為34 m；箱梁高度及梁頂至斜腿底緣距離按2.5次拋物線變化。懸澆T箱梁頂板厚為0.3 m，底板厚度由跨中0.32 m按二次拋物線變化至0.9 m(匯合段)；箱梁腹板厚度為0.8～0.45 m，分兩次過渡。主梁斷面構造見圖2。

圖1 總體立面布置(單位：m)

圖2 主梁斷面圖 (單位：cm)

3 設計關鍵技術

3.1 空腹區(qū)結構受力模式

拱梁組合空腹式連續(xù)剛構橋主要由橋墩、空腹段上弦、空腹段下弦、實腹段箱梁四部分組成，見圖3。

圖3 空腹式剛構主要組成部分

云南莊特大橋的支撐體系采用主墩墩底與承臺樁基相連，樁基采用考慮樁土效應的一般約束，過渡墩梁端設豎向支座。設計時考慮恒載、支座沉降、汽車活載、溫度荷載以及風荷載等多種荷載的組合作用，其中恒載及汽車荷載為主要荷載。經(jīng)計算對比得出：主要荷載作用下，主橋上構除了產(chǎn)生彎矩以外，空腹區(qū)范圍內(nèi)上弦還會產(chǎn)生巨大的軸向拉力作用，同時下弦會產(chǎn)生軸向壓力作用，而實腹段箱梁基本無軸向力，與普通連續(xù)剛構橋相比，整體結構受力形式發(fā)生改變。

根據(jù)結構分析，荷載作用下空腹式連續(xù)剛構的不同部位表現(xiàn)出不同的受力模式，其中實腹段箱梁表現(xiàn)為受彎構件，空腹段上弦表現(xiàn)為偏心受拉構件，空腹段下弦表現(xiàn)為偏心受壓構件。對于預應力混凝土橋梁，受彎構件及偏心受壓構件比較常見，而偏心受拉構件則很少遇見，因此在設計計算時應特別注意，這也是與以往橋梁結構所不同的受力特征。

由于施工過程及后期運營過程中下弦主要為承壓和抗剪構件，不宜布置相應縱向預應力，而上弦及實腹梁段分別為偏心受拉構件和受彎構件，因此需配置相應的縱向預應力鋼束。下弦和實腹梁段計算模式與常規(guī)連續(xù)剛構橋一致，空腹段上弦箱形截面作為預應力混凝土偏心受拉構件，以往驗算較少，其承載力計算圖式見圖4。

圖4 上弦截面偏心受拉承載力計算圖式

混凝土受壓區(qū)高度x按下式計算：

γ0Nd=fpdAp+fsdAs-(f′pd-σ′p0)A′p-f′sdA′s-fcdAc

(1)

軸力下對應的彎矩應滿足：

γ0Md≤fpdApyp+fsdAsys+(f′pd-σ′p0)A′py′p+f′sdA′sy′s+fcdAcyc

(2)

式中：Ac為受壓區(qū)混凝土面積；σ′p0為受壓區(qū)預應力鋼筋合力點處混凝土法向應力為零時的預應力鋼筋應力。

運營階段，云南莊特大橋上弦跨中在基本組合下，最大軸力為205 463 kN，彎矩為373 331 kN·m，按偏心受拉構件驗算抵抗矩為603 091 kN·m，滿足結構受力要求。

3.2 上下弦匯合角隅“Y”字形關鍵構造

大橋上、下弦交匯處的角隅構造是該橋設計中的重中之重，此處受力復雜，應力集中，為保證傳力的流暢過渡，匯合節(jié)點應使得上、下弦與主梁間的傳力平順，且角隅構造應有一定的橫向剛度采用框架效應來限制畸變，北盤江大橋采用X叉板式構造形式，將上、下弦的箱室在匯合處變?yōu)閱蜗涫医孛?，然后再把單箱室豎向分成3個隔室，此構造可以起到分散集中力的作用，較好地實現(xiàn)了力的傳遞。但計算分析中發(fā)現(xiàn)，此構造X形上、下交匯處存在明顯的拉、壓應力分界交叉點，應力仍較集中，通常采用加強配筋及表面設置鋼筋網(wǎng)的方式進行加強，另外X形構造隔室較多、相鄰箱室空間較小、存在施工不便、質(zhì)量難控制等問題。

該橋?qū)Χ喾N構造進行計算優(yōu)化比選，提出一種施工便利、質(zhì)量易控制、傳力順暢的Y字形構造，見圖5。上下弦在匯合后，采用一字形水平隔板的形式繼續(xù)延長2～3個節(jié)段長度，與角隅豎向隔板間距為1.5 m。采用這種構造將上弦、下弦的力匯合后，通過隔板的延長距離將力傳遞至腹板，再進行順暢分散至整個箱梁斷面。

圖5 匯合區(qū)Y形構造圖(單位：cm)

為了解其受力特征，通過Ansys有限元軟件建立Y形構造有限元數(shù)值分析模型，見圖6。

圖6 Y形構造有限元分析圖

局部分析結果表明：① 上下弦角隅節(jié)點的應力在交匯處實現(xiàn)了較好的融合，由于Y形構造的傳遞作用，結構應力較均勻，主梁最大主拉應力出現(xiàn)在水平隔板的末端與腹板的交匯處，最大主應力為1.59 MPa；② 水平隔板為鋼筋混凝土構件，受力較為復雜，最大名義拉應力出現(xiàn)在水平隔板末端分叉點位置，最大名義拉應力為3.78 MPa，需要對此處水平隔板加強配筋；③ 限制畸變的豎向橫隔板受力較好，最大主應力為2.27 MPa；④ 中隔板與腹板相連的角點局部區(qū)域，腹板內(nèi)側(cè)豎向受壓，腹板外側(cè)豎向受拉，該區(qū)域受力復雜，但腹板豎向應力鋼束對其受力狀況進行了有效改善，使得腹板豎向正截面受壓，大部分區(qū)域不超過0.4 MPa主拉應力；⑤ 上下弦交匯圓弧段邊角處有較小范圍的應力集中，最大出現(xiàn)2.9 MPa主拉應力，需要加強該位置處配筋。通過Y形構造的合理過渡，較好地實現(xiàn)了力的傳遞，計算結果表明結構安全可靠。

3.3 空腹三角區(qū)關鍵施工方案

大跨度空腹式剛構橋梁結構新穎，跨度較大，三角區(qū)受力復雜。下弦施工處于高墩之上，不適合采用支架現(xiàn)澆，上弦截面尺寸及抗彎剛度與常規(guī)剛構橋相比均較小，隨著施工過程中懸臂長度的不斷增加，上弦將難以承受其自身重量。因此，該橋上弦及下弦的施工均需采用一定的輔助工程。

已建成的貴州省北盤江特大橋為中國首座大跨預應力混凝土空腹式連續(xù)剛構橋。其三角區(qū)采用的施工方法，解決了懸臂澆筑時下弦截面抗彎剛度不足的問題，又利用下弦頂部的鋼管支架解決了懸臂澆筑時上弦截面抗彎剛度不足的問題，為同類橋梁提供了很好的借鑒。但此施工方法存在上、下弦施工不獨立，容易產(chǎn)生干擾的問題。同時拆除鋼管支架前上、下弦的自重全部由下弦獨自承擔，而拆除鋼管支架時上、下弦自重需進行內(nèi)力重新分配，因此結構受力體系將產(chǎn)生較大變化。此外，采用鋼管支架施工，存在較多的施工干擾。

針對此問題，設計對云南莊特大橋三角區(qū)的施工方案進行了創(chuàng)新探索，經(jīng)反復研究計算對比，提出空腹區(qū)上、下弦均采用臨時扣索輔助掛籃懸澆的施工方式(圖7)。此工法主要為掛籃懸澆下弦梁段并張拉臨時扣索；主墩墩頂設置臨時鋼扣塔，掛籃懸澆上弦梁段并張拉上弦臨時拉索。

圖7 空腹三角區(qū)施工示意圖

此方案上、下弦施工過程中受力獨立，不存在相互之間恒載內(nèi)力重分配的問題。由于施工過程中下弦不需承擔上弦的自重，因此在設計中可適當減小下弦的截面尺寸及下弦臨時扣索的規(guī)格，有利于減小恒載重量，優(yōu)化結構受力。

3.4 臨時扣索合理拆除時機

大橋空腹段上、下弦均采用臨時扣索輔助掛籃懸臂澆筑方法施工，設計時不僅應確定各個施工階段臨時扣索的合理張拉力，同時也應確定上、下弦臨時扣索的拆除時機。當臨時扣索拆除后，原本由臨時扣索承擔的恒載將分配到已澆筑的箱梁節(jié)段承擔，從而引起箱梁內(nèi)力及線形產(chǎn)生一定變化。上、下弦臨時扣索不同的拆除時機，將導致箱梁不同的應力及線形結果。

對于下弦臨時扣索拆除時機，在對北盤江特大橋的研究中，通過對比發(fā)現(xiàn)，全橋合龍完成階段拆除下弦臨時扣索不僅對三角區(qū)施工階段的受力更有利，而且施工線形更容易控制。經(jīng)過計算分析，云南莊特大橋下弦扣索拆除時機的規(guī)律與北盤江特大橋基本一致，因此考慮到三角區(qū)受力及成橋線形的可控性，云南莊特大橋下弦扣索采用在全橋合龍后拆除的施工方案。

對于上弦臨時扣索拆除時機，云南莊特大橋作為同類橋梁中采用在墩頂設置臨時扣塔，利用扣索輔助上弦懸澆的空腹式剛構橋，上弦扣索的拆除時機至關重要，基于此，對研究提出的上弦臨時扣索拆除時機的4種可行方案(方案1：空腹區(qū)施工完成后拆除上弦扣索；方案2：常規(guī)梁段施工完成一半后拆除上弦扣索；方案3：最大懸臂狀態(tài)拆除上弦扣索；方案4：全橋合龍后拆除上弦扣索)對主梁受力的影響進行了詳細對比研究。選取結構的關鍵截面見圖8，不同方案下施工階段關鍵截面應力分析結果見表1。

圖8 關鍵截面位置示意圖

不同的施工階段拆除上弦臨時扣索計算結果表明：① 對施工過程中主梁應力影響較大，因此需選擇合理的拆除時間，避免施工過程中應力超限；② 對最終成橋時主梁的應力基本無影響；③ 不同懸臂施工階段拆除上弦扣索，對匯合區(qū)下弦(截面2)的最大應力及上弦根部(截面3)的最小應力影響最為顯著，其變化規(guī)律見圖9。圖9中梁的編號11#～33#為主梁匯合區(qū)段到跨中梁段的節(jié)段號。

表1 施工階段4種方案關鍵截面最小/最大應力

圖9 不同階段拆除上弦扣索關鍵截面應力曲線圖

研究分析以上結果，施工過程中扣索對上弦節(jié)段施加軸力及彎矩作用，以平衡梁段自重及施工臨時荷載。后續(xù)施工時，主梁縱向鋼束的預應力效應與扣索的作用力相互疊加，上弦扣索拆除越晚，則上弦根部壓應力水平越高，因此方案3、4施工過程中上弦根部截面的最大壓應力大于方案1、2。但如果上弦扣索拆除過早，由于后續(xù)實腹梁段對下弦的壓應力儲備不足，則將導致拆除扣索時匯合區(qū)下弦截面產(chǎn)生較大的拉應力。

考慮到施工過程中橋面施工人員、機具活動頻繁，臨時索塔及扣索占用施工場地，因此在保證施工過程中結構受力安全的前提下，應盡早拆除上弦臨時扣索。通過計算對比，設計建議采用方案2，施工步驟為完成常規(guī)一半懸臂梁段澆筑后拆除上弦扣索，根據(jù)圖9可知：此方案施工階段匯合區(qū)下弦截面不會出現(xiàn)拉應力，同時上弦根部最大壓應力為-15.7 MPa，主梁應力狀態(tài)合理可靠。

3.5 空腹區(qū)高度對受力及剛度的影響

對于常規(guī)連續(xù)剛構橋，箱梁根部梁高一般為主跨跨徑的1/16～1/17?？崭故竭B續(xù)剛構為橋梁新型結構，為研究空腹區(qū)高度對結構受力及剛度的影響規(guī)律，分別在保證云南莊特大橋其他參數(shù)不變的前提下，對比空腹區(qū)高度為26、28、30、32、34、36、38、40、42 m時，活載作用下匯合區(qū)位移及下弦根部內(nèi)力的變化，計算結果見圖10。

圖10表明：隨著空腹區(qū)高度的增加，活載作用下匯合區(qū)的豎向撓度不斷減小，即主梁豎向剛度與空腹區(qū)高度成正相關。隨著空腹區(qū)高度的增加，活載作用下下弦根部的正彎矩不斷增大，而負彎矩及軸壓力則不斷減小。根據(jù)空腹區(qū)高度對主梁受力及剛度的影響規(guī)律，并結合實際工程項目，建議設計時空腹區(qū)的根部高度在主跨跨徑的1/7.5～1/8.5范圍內(nèi)選取，該橋空腹區(qū)高度為34 m，為主跨跨徑的1/8.2，結構構造及受力狀態(tài)較為合理。

4 結語

拱梁組合空腹連續(xù)剛構橋作為一種新型橋梁，外形優(yōu)美，結構形式新穎，在跨徑為220～360 m時極具競爭力。該文以湖北云南莊特大橋為工程背景，分析了拱梁組合空腹連續(xù)剛構橋與以往連續(xù)梁結構表現(xiàn)不同的受力特征，其空腹段上弦、空腹段下弦、實腹段箱梁分別為偏心受拉構件、偏心受壓構件和受彎構件；提出的“Y”字形關鍵傳力構造，解決了空腹段受力復雜、應力集中的問題；提出的上、下弦均采用臨時扣索輔助掛籃懸澆的創(chuàng)新施工方式，并建議上弦扣索在常規(guī)梁段澆筑一半完成后拆除，下弦扣索在全橋合龍后拆除的施工方案，這樣克服了上下弦施工難的問題；根據(jù)空腹區(qū)根部主梁高度對結構剛度和下弦內(nèi)力的影響規(guī)律，并結合已有工程案例，提出拱梁空腹連續(xù)剛構橋根部設計高度取值建議為主跨跨徑的1/7.5～1/8.5。大橋已開工建設，計劃于2021年建成通車。

圖10 匯合區(qū)位移及下弦內(nèi)力變化圖