申 衛(wèi)，黃 華

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋是中小跨度橋梁中采用頻率較高的一種結(jié)構(gòu)型式，具有外觀簡(jiǎn)潔、技術(shù)成熟、施工方便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，還可節(jié)省大噸位支座，減少后期維護(hù)費(fèi)用，梁高在同等跨度下可以較連續(xù)梁低，特別適用于墩身較高的情況，在公路和市政橋梁建設(shè)中均有較多的工程實(shí)例。連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩類型分為單柱墩、雙薄壁墩和V 形墩，其中雙薄壁墩由于能在提供較小抗推剛度的同時(shí)兼有較大的順橋向抗彎和橫橋向抗扭剛度,既可保證施工過程中的安全穩(wěn)定性,又能滿足大跨徑橋梁的受力要求,因而受到了廣大橋梁設(shè)計(jì)工作者的青睞[1]。

1 項(xiàng)目概況

四川省自貢市富順縣懷石農(nóng)村公路改造項(xiàng)目起點(diǎn)位于四川富順縣與江安縣交界處黃灣，路線由南向北經(jīng)該地石河子水庫(kù)西側(cè)、石道鄉(xiāng)、天馬村，在原懷德渡口南側(cè)約600 m位置跨越沱江，路線接續(xù)向北延伸繞過懷德場(chǎng)鎮(zhèn)，終點(diǎn)接富順與瀘縣交界處橋村水庫(kù)，路線全長(zhǎng)約14.684 km；另外，路線在懷德鎮(zhèn)與瀘富路呈分離式立體交叉，為連通瀘富路，同時(shí)結(jié)合懷德鎮(zhèn)城鎮(zhèn)規(guī)劃，本項(xiàng)目于懷德鎮(zhèn)北側(cè)設(shè)置連接線連接瀘富路，連接線長(zhǎng)1.634 km[2]。

懷德沱江大橋里程范圍：K10+057.689～K10+744.889，總長(zhǎng)687.2 m。全橋孔跨布置：（4×40）m+（75+130+75）m+2×（3×40）m；主橋和引橋均采用整幅布置，橋面總寬20.5 m?？缃鳂虿捎茫?5+130+75）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，引橋采用40 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁。

懷德沱江大橋主橋立面布置圖見圖1。

圖1 懷德沱江大橋主橋立面布置圖（單位:cm）

懷德沱江大橋的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）道路等級(jí)：四級(jí)公路。

（2）設(shè)計(jì)荷載：公路Ⅰ級(jí)；人群荷載：2.6 kN/m2。

（3）設(shè)計(jì)速度：20 km/h。

（4）橋梁設(shè)計(jì)使用年限：100 a。

（5）環(huán)境類別：Ⅰ類環(huán)境。

（6）設(shè)計(jì)洪水頻率：大、中橋按照1/100 考慮；最高通航水位：249.85 m。

（7）通航等級(jí)：Ⅳ-（3）級(jí)。根據(jù)航評(píng)報(bào)告，通航凈寬要求大于90 m，凈高要求大于8 m。

（8）抗震設(shè)防類別：據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），工區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。

2 主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 雙薄壁墩設(shè)計(jì)

連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一就是控制體系升降溫及由混凝土收縮徐變產(chǎn)生的橋墩墩身內(nèi)力，且在保證承載能力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，要求具有足夠的柔度。雙薄壁墩具有順橋向抗推剛度小的特點(diǎn),不但能有效減小由溫度、混凝土收縮徐變和地震力等引起的橋墩內(nèi)力,還能有效降低基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)難度[3]，故連續(xù)剛構(gòu)橋墩一般采用雙薄壁墩。

雙薄壁墩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)是如何合理確定雙薄壁墩的墩間距H 和壁厚b。根據(jù)某些學(xué)者的研究成果，在一定的橋跨結(jié)構(gòu)形式下，墩間距的變化對(duì)成橋階段墩身應(yīng)力影響很小，但是對(duì)施工階段墩身應(yīng)力影響較大，可先根據(jù)施工階段不平衡最大彎矩計(jì)算初步擬定1 個(gè)墩間距H，然后在滿足成橋階段受壓構(gòu)件承載力強(qiáng)度的前提下，通過調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)確定合理的壁厚b[4]。

結(jié)合該項(xiàng)目的工程實(shí)例，首先根據(jù)施工階段不平衡彎矩初步計(jì)算擬定墩間距（H=5 m），然后通過建立的有限元模型對(duì)不同的壁厚設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。從表1 的計(jì)算結(jié)果可知，隨著壁厚的增加，主墩基礎(chǔ)的內(nèi)力不斷增大，墩身應(yīng)力不斷增大。因此，通過調(diào)整薄壁墩厚度可以有效改善雙薄壁墩的基礎(chǔ)和墩身的受力情況。

表1 雙薄壁墩壁厚比較表

基于上述分析的結(jié)論初步確定雙薄壁墩的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后對(duì)雙薄壁墩在成橋階段承載力強(qiáng)度、裂縫以及施工的穩(wěn)定性分別進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。該項(xiàng)目主墩構(gòu)造圖見圖2。

圖2 雙薄壁墩構(gòu)造圖（單位:cm）

2.2 主梁設(shè)計(jì)

考慮該項(xiàng)目懷德沱江大橋兼顧城市橋梁功能，需在橋梁兩側(cè)設(shè)置人行道、機(jī)非混行道，所以橋梁寬度推薦采用20.5 m。橋梁橫斷面采用整幅布置：2.5 m（人行道）+0.5 m（路緣帶）+3.5 m（機(jī)非混合車道）+3.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（雙黃線）+3.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+3.5 m（中央分隔帶）+0.5 m（路緣帶）+2.5 m（人行道）=20.5 m。

懷德沱江大橋主梁構(gòu)造圖見圖3。

由圖3 可見,主橋箱梁采用單箱雙室直腹板橫斷面，主梁中支點(diǎn)處梁高7.5 m，跨中梁高2.5 m，梁底由距主墩中心4 m處往跨中或邊墩方向60 m段按1.8 次拋物線變化；箱梁懸臂澆筑共分為17 個(gè)節(jié)段，分段長(zhǎng)度依次為：12 m（0 號(hào)段）+3×3 m+6×3.5 m+7×4 m，中跨合龍段長(zhǎng)2 m，邊跨合龍段長(zhǎng)2 m，邊跨現(xiàn)澆直線段長(zhǎng)8.9 m。最大懸臂節(jié)段質(zhì)量為257 t。

圖3 懷德沱江大橋主梁構(gòu)造圖（單位:cm）

懷德沱江大橋主梁按照全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)低松弛鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力采用JL32預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，在梁頂設(shè)置張拉端錨固。為有效解決大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋遠(yuǎn)期下?lián)系膯栴}，采用主動(dòng)控制性措施，在中跨和邊跨均布置了體外預(yù)應(yīng)力束。體外預(yù)應(yīng)力束采用無黏結(jié)環(huán)氧涂層鋼絞線，在體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向的位置需設(shè)置豎肋式的轉(zhuǎn)向塊，中跨合龍后體外預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力按照0.2 fpk控制，運(yùn)營(yíng)階段后期最大可補(bǔ)張拉至0.7 fpk。

3 成橋階段正裝分析

成橋正裝分析采用空間有限元軟件Midas/Civil建立計(jì)算模型，全橋模型共劃分為502 個(gè)節(jié)點(diǎn)、443個(gè)單元。主梁、墩及基礎(chǔ)均采用空間梁?jiǎn)卧?，中墩樁基通過節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬土彈簧，邊支點(diǎn)采用豎向支撐。全橋正裝有限元計(jì)算模型見圖4。

圖4 成橋正裝有限元計(jì)算模型

全橋共分為基礎(chǔ)及墩身施工、0 號(hào)塊施工，1～16號(hào)塊掛籃懸臂施工、邊跨現(xiàn)澆段施工、邊跨合龍、中跨合龍等主要施工步驟，考慮掛籃、風(fēng)荷載以及其他施工臨時(shí)荷載。

成橋階段考慮的荷載有：恒載、基礎(chǔ)變位、混凝土收縮徐變效應(yīng)、汽車、人群、整體升降溫、梯度溫度、風(fēng)荷載等。在成橋荷載組合下，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018），對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算、持久狀況和短暫狀況下應(yīng)力驗(yàn)算。

（1）持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算。在持久狀態(tài)荷載基本組合下,主梁正截面抗彎和斜截面抗剪驗(yàn)算的最小安全系數(shù)分別是1.37 和1.52；主墩墩身正截面抗壓承載力最小安全系數(shù)是1.9，滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

（2）持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算。在持久狀態(tài)荷載頻遇組合下,主梁正截面拉應(yīng)力σst-0.8σpc≤0，斜截面混凝土主拉應(yīng)力σtp≤0.4 ftk=1.06 MPa；主梁中跨最大向下?lián)隙圈膍ax=27.652 mm，考慮長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)ηθ，ηθδmax/L=1/3 300＜1/600，滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

（3）主梁持久狀況和短暫狀況下應(yīng)力驗(yàn)算。在持久狀態(tài)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力σkc+σpt≤0.5 fck=16.2 MPa；混凝土的主壓應(yīng)力σcp≤0.6 fck=19.44 MPa，滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范要求。

以上計(jì)算結(jié)果表明：懷德沱江大橋在成橋和施工階段各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，且有一定的安全富裕度。

4 施工階段受力分析

在主橋箱梁2～4 號(hào)節(jié)段懸臂施工過程中，施工單位發(fā)現(xiàn)在各節(jié)段縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后，中腹板和邊腹板均出現(xiàn)一些沿預(yù)應(yīng)力管道方向的斜裂縫，如圖5 所示。這個(gè)問題也引起了參建單位的重視。為了盡快找到引起腹板開裂的原因，項(xiàng)目總承包單位委托專業(yè)檢測(cè)單位對(duì)裂縫進(jìn)行了檢測(cè)。

圖5 腹板裂縫檢測(cè)照片

根據(jù)裂縫檢測(cè)結(jié)果，腹板裂紋均位于腹板預(yù)應(yīng)力束張拉端附近，沿波紋管道走向，2～4 號(hào)節(jié)段腹板裂縫長(zhǎng)度介于70～315 cm，裂縫寬度介于0.06～0.12 mm，裂縫深度介于25～45 mm。腹板位置實(shí)測(cè)聲速平均值總體情況較好，推斷混凝土密實(shí)度整體較好。

在主梁懸臂施工過程中，主梁僅承擔(dān)自重、掛籃及施工臨時(shí)荷載。由于主橋施工過程中產(chǎn)生的腹板斜裂縫方向與連續(xù)梁橋在墩頂處的主拉斜裂縫方向垂直，由此可以排除整體受力裂縫的可能。根據(jù)腹板的開裂位置及走向，分析認(rèn)為施工過程中多個(gè)影響因素的疊加可能產(chǎn)生了較大的局部拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致腹板開裂。腹板預(yù)應(yīng)力張拉后，由于錨固區(qū)在巨大局部壓力的作用下產(chǎn)生了錨下劈裂力，此時(shí)由于管道尚未灌漿，管道與混凝土接觸部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，管道外壁周圍混凝土的實(shí)際拉應(yīng)力要明顯大于平均拉應(yīng)力，如若其值超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致腹板開裂。

為考察錨下劈裂力對(duì)腹板的影響，對(duì)已施工節(jié)段建立有限元實(shí)體模型進(jìn)行分析，如圖6 所示。根據(jù)實(shí)體有限元計(jì)算結(jié)果，2～4 號(hào)節(jié)段張拉完成后，主梁頂?shù)装遄畲蠓ㄏ驂簯?yīng)力為-6.94 MPa，小于0.7 fck=22.68 MPa；最大主拉應(yīng)力為0.72 MPa，小于0.7 fck=1.85 MPa。主梁腹板各典型位置總體主拉應(yīng)力水平介于0.10～0.22 MPa，平均應(yīng)力水平較低；同時(shí)，隨著懸臂塊施工的進(jìn)行，腹板主拉應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.2 條及其條文解釋，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨下劈裂力應(yīng)按強(qiáng)度控制，裂縫寬度控制在不超過0.15 mm 時(shí)即可滿足結(jié)構(gòu)使用性能要求。從檢測(cè)單位提供的數(shù)據(jù)來看，裂縫寬度滿足該規(guī)范要求?？傮w判斷下，結(jié)構(gòu)受力符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)并不存在安全性問題。

圖6 實(shí)體分析有限元模型

上述分析表明，腹板裂縫總體成因較為復(fù)雜，但就其開展程度而言，對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響較小，總體可控。裂縫主要是由于混凝土養(yǎng)護(hù)齡期、施工因素、預(yù)應(yīng)力錨下劈裂等因素綜合產(chǎn)生。為了盡量減少這種裂縫的產(chǎn)生，在后續(xù)節(jié)段施工前采取了以下主要措施：（1）提高混凝土澆筑質(zhì)量，加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，要求混凝土澆筑后強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到90%后方可張拉預(yù)應(yīng)力，嚴(yán)格控制張拉齡期；（2）調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉順序，先張拉豎向預(yù)應(yīng)力后再?gòu)埨v向預(yù)應(yīng)力，通過豎向預(yù)應(yīng)力來抵消錨下劈裂力的影響[5]；（3）對(duì)腹板預(yù)應(yīng)力管道的定位鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，防止?jié)仓炷習(xí)r預(yù)應(yīng)力管道出現(xiàn)偏離和跑位的現(xiàn)象。

通過采取以上措施，主梁后續(xù)節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉后裂縫的數(shù)量明顯減少或消失，施工質(zhì)量得到明顯提高。在后面節(jié)段的施工過程中，通過對(duì)前幾個(gè)節(jié)段產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行定期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)大部分裂縫已幾乎閉合，說明實(shí)際情況與理論分析的結(jié)論基本一致，所采取的優(yōu)化措施效果明顯。

5 結(jié)語

截至目前，經(jīng)過各參建單位的共同努力，大橋中跨已經(jīng)順利合龍，全橋主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完工。該橋的工程實(shí)踐尤其是對(duì)施工過程腹板開裂問題的分析解決思路可以為以后類似橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供參考。