韓 鋒，楊 華

（1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032；2.山西工商學(xué)院，山西 太原 030006）

隨著公路橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁體系橋得到了大范圍推廣應(yīng)用[1]。從六十年代開(kāi)始，出現(xiàn)了一種新型的將“T”型剛構(gòu)與連續(xù)梁結(jié)合起來(lái)的連續(xù)-剛構(gòu)體系，又稱墩梁連固的連續(xù)梁體系[2]。連續(xù)-剛構(gòu)組合體系梁橋兼顧了連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了各自的缺點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)受力、使用性能等方面都具有一定的優(yōu)越性[3]。本文以晉蒙黃河大橋主跨152 m長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋?yàn)槔?，介紹了大橋的總體布置及上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)大橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

1 工程概況

晉蒙黃河大橋及引線工程起于河曲縣樓子營(yíng)鎮(zhèn)科村，與已建的神池至河曲高速公路順接，止于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗沙溝子村東，與大飯鋪至龍口高速公路順接，路線全長(zhǎng)4.865 km。設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度為32 m，按雙向六車道設(shè)計(jì)，橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。黃河河道內(nèi)設(shè)計(jì)橋高為43～57 m，橋下凈空不受橋型結(jié)構(gòu)控制。項(xiàng)目區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度0.05g。

初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)擬定方案從結(jié)構(gòu)形式、施工難度、養(yǎng)護(hù)維護(hù)、抗震、抗風(fēng)、工期、造價(jià)、橋梁美學(xué)效果等角度進(jìn)行了同深度比較。主跨152 m連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋因橋型成熟、質(zhì)量及耐久性易于保證、建設(shè)成本及后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用可控、等跨徑跨越河道、視覺(jué)效果好等優(yōu)勢(shì)，作為初步設(shè)計(jì)推薦的橋型方案。

圖1 項(xiàng)目地理位置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

橋梁全長(zhǎng)2 133 m，兩側(cè)引橋采用30 m、50 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，主橋采用跨徑152 m連續(xù)-剛構(gòu)組合體系。主橋分為兩聯(lián)，第一聯(lián)為83 m＋4×152 m＋83 m，第二聯(lián)為83 m+3×152 m+83 m。第一聯(lián)自小樁號(hào)至大樁號(hào)方向依次是：邊跨→連續(xù)-剛構(gòu)跨→剛構(gòu)跨→連續(xù)-剛構(gòu)跨→連續(xù)跨→邊跨；第二聯(lián)為邊跨→連續(xù)-剛構(gòu)跨→剛構(gòu)跨→連續(xù)-剛構(gòu)跨→邊跨。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

a）汽車荷載 單幅橋計(jì)算車道數(shù)為三車道，車道折減系數(shù)0.67，沖擊系數(shù)0.05，汽車偏載系數(shù)1.15。

b）溫度荷載 合龍溫度設(shè)定在10℃ ～15℃，有效溫差：整體升溫25℃，整體降溫40℃；豎向梯度溫度：正溫差T1=14℃，T2=5.5℃，負(fù)溫差T1=-7℃，T2=-2.75℃。

c）不均勻沉降 主墩20 mm，交界墩、分聯(lián)墩10 mm。

d）風(fēng)荷載 百年一遇基本風(fēng)速32.7 m/s，橋面處運(yùn)營(yíng)風(fēng)速取值25 m/s，風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)0.84。

e）汽車制動(dòng)力 按聯(lián)長(zhǎng)滿布汽車荷載總重力的10%計(jì)算。

f）支座摩阻力 球型鋼支座摩擦系數(shù)0.05。

g）流水壓力 橋墩形狀系數(shù)取1.3，設(shè)計(jì)流速2.08 m/s。

h）冰壓力 迎冰面形狀系數(shù)0.77，冰溫系數(shù)2.0，冰的抗壓強(qiáng)度取450 kN/m2，冰厚0.5 m。

i）箱梁橫向計(jì)算 橋面板分別按框架和簡(jiǎn)支板兩種模式進(jìn)行計(jì)算，考慮了箱室內(nèi)外±5℃溫差效應(yīng)。

j）橫隔板計(jì)算 考慮支座更換工況。

圖2 主橋總體布置圖（單位：m）

圖3 第一聯(lián)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.3 主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用單箱單室箱型截面，頂板寬15.55 m，底板寬8 m，跨中梁高3.4 m，支點(diǎn)梁高9.5 m，主梁根部至跨中梁高按1.7次拋物線漸變[4]。

圖4 主梁典型橫斷面（單位：mm）

懸澆梁段頂板厚32 cm，底板厚由跨中32 cm漸變至根部90 cm，腹板厚由跨中50 cm漸變至根部70 cm。零號(hào)塊根據(jù)受力需要，頂板加厚至50 cm，底板加厚至120 cm，腹板加厚至105 cm。

2.4 主橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，P8、P19為主引橋交界墩，P14為主橋分聯(lián)墩，為進(jìn)一步釋放溫度力，P9、P12、P13、P15、P18為設(shè)置鋼球支座的連續(xù)墩，P10、P11、P16、P17為與主梁固結(jié)的剛構(gòu)墩。

主墩均采用等截面矩形空心墩形式。連續(xù)墩縱橋向?qū)? m，橫橋向?qū)?0 m；剛構(gòu)墩縱橋向?qū)? m，橫橋向?qū)? m，最大墩高43.5 m。主橋連續(xù)墩設(shè)速度鎖定器，縱向地震荷載作用下所有主墩均參與地震力分配[4]。

P8、P14、P19采用分離式承臺(tái)，厚度3 m，其余連續(xù)-剛構(gòu)墩采用整體式承臺(tái)，厚度5 m。采用D200的鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)，最大樁長(zhǎng)60 m，按摩擦樁設(shè)計(jì)。為防止黃河泥沙沖刷樁基，河道中主墩在樁頂15 m長(zhǎng)度范圍設(shè)永久性鋼護(hù)筒，迎水面設(shè)置破冰體[4]。

圖5 主橋橋墩斷面（單位：mm）

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)一 連續(xù)墩墩頂設(shè)速度鎖定裝置

如圖6a所示，在連續(xù)-剛構(gòu)組合體系下，圖6地震力主要由兩個(gè)剛構(gòu)墩承擔(dān)，存在剛構(gòu)墩截面尺寸較小，承載力不足以抵抗地震力，而連續(xù)墩的承載力沒(méi)有得到利用等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，在連續(xù)墩墩頂設(shè)速度鎖定裝置，地震來(lái)臨時(shí)，連續(xù)墩被鎖定，變?yōu)楣潭ǘ?，參與地震力分配，如圖6b所示，各墩承擔(dān)彎矩較均勻[5]。

圖6 縱向地震力引起的結(jié)構(gòu)彎矩圖

表1 速度鎖定器設(shè)置與否結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比

連續(xù)墩剛度較大，分擔(dān)了較多的地震力，其承載力得以發(fā)揮；剛構(gòu)墩承受彎矩得以減弱，橋梁安全儲(chǔ)備得到提高；通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置減隔震裝置，改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性（固有周期、阻尼），減小了地震激勵(lì)，從而減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。為了使地震作用合理分布，除最矮P18，其余連續(xù)墩均在墩頂中心處設(shè)置速度鎖定器。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)二 先剛構(gòu)跨后連續(xù)跨合攏順序

對(duì)于多跨長(zhǎng)聯(lián)的連續(xù)-剛構(gòu)橋型，張拉底板鋼束時(shí)，二次效應(yīng)會(huì)使相鄰孔跨底板產(chǎn)生拉應(yīng)力，對(duì)此優(yōu)先合攏底板壓應(yīng)力儲(chǔ)備需求較小孔跨，后合攏需求較大孔跨，后者壓應(yīng)力儲(chǔ)備大于前者，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下全橋底板應(yīng)力達(dá)到較均勻水平[6]。優(yōu)先合攏剛度較大的剛構(gòu)跨，再合攏剛度較小的連續(xù)跨，主橋第一聯(lián)合攏順序?yàn)椋旱?跨→第2跨→第4跨→第1、6跨（邊跨）→第5跨；主橋第二聯(lián)合攏順序?yàn)椋旱?跨→第2跨→第4跨→第1、5跨（邊跨）。相比傳統(tǒng)的先邊跨后中跨的合攏順序，可以增大連續(xù)跨底板應(yīng)力，減小剛構(gòu)跨底板應(yīng)力，應(yīng)力水平趨于均勻[6-8]。

表2 不同合攏順序下跨中截面下緣壓應(yīng)力 MPa

圖7 第一聯(lián)合攏工序示意

采用先合攏剛度較大的剛構(gòu)跨，再合攏剛度較小的連續(xù)跨，對(duì)壓應(yīng)力儲(chǔ)備較高要求的第4跨，成橋狀態(tài)下緣應(yīng)力增加0.44 MPa，短期效應(yīng)增加0.21 MPa；對(duì)壓應(yīng)力儲(chǔ)備要求最小的第2跨，成橋狀態(tài)下緣應(yīng)力減小1 MPa，短期效應(yīng)減小0.87 MPa。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 上部主梁靜力計(jì)算

上部主梁靜力計(jì)算分析表明，結(jié)構(gòu)承載能力均大于內(nèi)力設(shè)計(jì)值，主梁抗彎、剪、扭承載力滿足規(guī)范值。

圖8 第一聯(lián)設(shè)計(jì)彎矩與正截面抗彎承載能力包絡(luò)圖

在短期組合下，正截面抗裂計(jì)算第一聯(lián)橋主梁上緣最大法向拉應(yīng)力為-0.25 MPa，下緣最大法向拉應(yīng)力為-1.02 MPa；第二聯(lián)橋主梁上緣最大法向拉應(yīng)力為-0.22 MPa，下緣最大法向拉應(yīng)力為-1.02 MPa，均不出現(xiàn)拉應(yīng)力。斜截面抗裂中，第一聯(lián)橋主梁最大主拉應(yīng)力為1.08 MPa，第二聯(lián)橋主梁最大主拉應(yīng)力為1.01 MPa，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

彈性組合下，正截面壓應(yīng)力計(jì)算第一聯(lián)橋主梁上緣最大法向壓應(yīng)力為-17.08 MPa，下緣最大法向壓應(yīng)力為-16.32 MPa；第二聯(lián)上緣最大法向壓應(yīng)力為-16.80 MPa，下緣最大法向壓應(yīng)力為-15.58 MPa，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。斜截面壓應(yīng)力計(jì)算第一聯(lián)橋主梁的最大主壓應(yīng)力為-17.08 MPa，第二聯(lián)橋主梁的最大主壓應(yīng)力為-16.80 MPa。

4.2 穩(wěn)定性計(jì)算

本橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力連續(xù)-剛構(gòu)組合體系，在橋墩和橋墩與主梁連接處存在差異。從可能出現(xiàn)的最不利荷載，考慮3種最不利荷載組合[9-10]。

a）工況1 處于最大懸臂澆筑階段，未出現(xiàn)大風(fēng)。

b）工況2 最大懸臂狀態(tài)，邊跨未合攏，出現(xiàn)橫向大風(fēng)。

c）工況3 最大懸臂狀態(tài)，邊跨未合攏，出現(xiàn)縱向大風(fēng)。

表3 最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明，在最大懸臂狀態(tài)各工況的最小穩(wěn)定安全系數(shù)相差很小，風(fēng)荷載對(duì)穩(wěn)定影響不顯著。這是由于橋墩高度較低，上部結(jié)構(gòu)自重大，起控制穩(wěn)定作用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究，本文得出結(jié)論如下：

a）結(jié)合實(shí)際地形條件，晉蒙黃河大橋采用主跨152 m連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋型等跨徑跨越黃河，采用成熟的懸臂法施工工藝；橋梁受力性能好，結(jié)構(gòu)剛度大。隨著工程建設(shè)需求的多元化發(fā)展，受地形、跨度、凈空等因素制約，該橋型具有較大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

b）大跨、長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋，連續(xù)墩設(shè)置速度鎖定器可充分利用其剛度大的特點(diǎn)，分擔(dān)更多地震力，使其承載力得以發(fā)揮；從而減弱剛構(gòu)墩承受彎矩，橋梁安全儲(chǔ)備得到提高。

c）大跨、長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋，張拉底板鋼束時(shí)，二次效應(yīng)使相鄰孔跨底板產(chǎn)生拉應(yīng)力，可優(yōu)先合攏底板壓應(yīng)力儲(chǔ)備需求較小孔跨，后合攏需求較大孔跨，從而運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下全橋底板應(yīng)力達(dá)到較均勻水平。