高墩大跨径连续刚构桥设计与计算分析

吴少亮 江名宝

摘 要：依托高山峡谷高墩大跨径连续刚构桥实际工程案例，介绍该桥的工程概况、总体设计、结构设计、计算分析，并对关键技术问题给出对策措施。

关键词：高墩；大跨径；连续刚构桥；桥梁设计

引言

本桥是山区高速公路上的一座高墩连续刚构桥，主桥上部构造为85m+3×160m+85m连续刚构，主墩最高达104.5m，是山区桥梁跨径较大、墩高较高的曲线不对称连续刚构桥。

图1 主跨布置示意图

桥位区为高山峡谷地貌，桥位区地形起伏较大，两岸桥台均位于山体斜坡上。大桥两岸山坡上第四系覆盖层较薄，强-弱风化基岩埋藏较浅。本区属温带大陆性季风性气候，年平均气温14.3°C，极端最低气温-20℃°C，极端最高气温43.3°C。

1 技术标准

（1）设计车速：80km/h；（2）设计荷载：1.3倍公路-I级；（3）桥梁宽度：本桥为分离式双幅桥，单幅桥宽12.25m，组成为0.5m（防撞护栏）+11.25m（行车道）+0.5m（防撞护栏）；（4）设计水位：SW1/300=407.788m；（5）地震基本烈度：地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35S；（6）基本风速：根据抗风设计规范设计基准风速22.9m/s。

2 总体设计

大桥跨越典型的V型山谷，路线与谷底高差达140多米，桥梁规模大、设计复杂。高墩连续刚构桥以其造价经济、施浇工工艺成熟、养护费用较少，在此具有比较明显的竞争优势，从经济性和施工方便考虑，主桥推荐采用160m桥跨方案。同时，由于主桥边跨过渡墩较高，为避免边跨现浇段支架式施工，尽量减小边跨现浇段的长度，以适应导梁或托架式施工，边跨与主跨的比值以边墩不出现拉力为原则采用偏小的0.53。故主桥桥跨布置设计为85m+160m+85m。

3 结构设计

3.1 上部结构

大桥上部构造采用85m+160m+85m预应力混凝土连续刚构箱梁，为单箱单室箱形截面。上部箱梁顶宽12.25m，底宽6.25m，悬臂长3m。根部梁高10m，合拢段断面高度3.5m，其间梁高按1.8次抛物线变化，箱梁根部底板厚130cm，合拢段断面底板厚32cm，其间底板厚度按1.8次抛物线变化。顶板跨中厚度32cm，腹板厚度50cm～80cm。

主桥上部构造按纵向全预应力混凝土设计，预应力采用高强低松弛预应力钢绞线，标准强度1860Mpa，设计锚下张拉控制应力均为1395Mpa。箱梁纵向钢束每股直径15.2mm，大吨位群锚体系，规格分15-12、15、17、19、21五种。

3.2 下部构造

从构造上讲，双肢薄壁墩总体抗弯刚度大、纵向抗推刚度容易调整、箱梁的截面刚度远大于桥墩的截面刚度，能确保梁对墩的有效嵌固，对高墩的稳定性有利，综合考虑主墩采用双肢薄壁空心墩，主桥桥墩采用双薄壁箱型墩身。双薄壁墩身外缘宽10m，单壁断面尺寸6.25×3.5m，长边厚0.8m，短边厚按墩高不同分为0.6和0.8m两种，墩高53～94.5m，墩顶、墩底分别设置2.5m、3m实心段，桥墩按高度设置横隔板。在71m以上的高墩（6、7号墩）的桥墩中间设置一道横系梁，系梁尺寸为6.25×3×1.5m。主墩承台平面尺寸为14.7×20.2m，厚4.5m；下设横桥向4排、顺桥向3排共12根2.2m直径的基桩。

4 结构计算

采用midas Civil软件对主桥进行了结构计算分析。连续刚构上部构造施工工艺流程为：墩台基桩等下部构造施工完成后，在主墩托架上浇筑0号块，其余梁段（除合龙段及边跨现浇段外）均采用挂篮悬臂对称浇筑，直至最大悬臂；然后按先边跨后中跨的顺序依次合拢；最后进行桥面系施工。按此流程逐阶段计算结构各截面内力、应力和位移，每个悬臂的施工包括挂篮到位、梁段浇筑、预应力张拉及挂篮前移等4个主要工况。

成桥运营计算包括恒载、活载、支点沉降、温度及静风力等工况，按规范进行最不利荷载组合。汽车荷载采用1.3倍公路I级；温升梯度为l4℃，温降梯度为-7℃，整体温降为-25℃，整体温升为25℃；基础不均匀沉降10mm；风荷载计算根据《公路桥梁抗风规范（JTG/T D60-01-2004）》进行计算，设计基本风速V10=22.9m/s。

将以上作用分别按短暂状况和持久状况下短期效应组合并考虑长期效应影响计算，计算结果表明，上缘应力最大值17.7MPa、最小值0.3MPa，下缘应力最大值12.8MPa、最小值2.23MPa，上部结构能满足规范中全预应力结构正常使用极限状态和承载能力极限状态要求。墩底计算裂缝宽度0.11mm，下部结构亦满足正常使用极限状态和承载能力极限状态要求。

5 关键技术及对策措施

5.1 稳定性分析

主墩高达94.5m，稳定性问题突出，为了保证薄壁高墩在施工阶段和使用阶段的安全，必须对施工阶段的最大双悬臂状态以及成桥阶段进行稳定性分析。

为此，采用了mias Civil进行全桥稳定性分析，计算分别分析了第一类稳定和第二类稳定。计算结果表明，施工阶段最大双悬臂状态和成桥阶段恒载作用下结构第一类稳定系数分别为17.754 和32.025，第二类稳定系数也达2.587和4.572，主桥结构具有一定的安全储备。

5.2 高墩抗风稳定性

通过Midas计算软件对该桥7#墩最大悬臂状态进行静风荷载下的稳定分析。本文列出了上述三种加载方式的稳定系数。

7#墩各加载方式下最大悬臂屈曲表

一般认为稳定系数为6时，结构具有足够的安全储备。三种加载方式的临界稳定系数均为9.8，说明结构在静风稳定性分析中，风荷载的加载方式对桥梁的稳定性影响很小，对结构稳定性起控制作用的是恒载、施工荷载等。

5.3 腹板斜裂缝问题

腹板斜裂缝主要发生在剪应力大而截面抗剪能力不足的支座-L/4区域，造成腹板出现斜裂缝的最主要、最直接的原因是主拉应力过大，竖向预应力的有效性不足等因素。首先，大桥设计中从根部到接近跨中均布置了下弯钢束。通过对布置较多下弯束和布置较少下弯束进行比较可知，布置较多下弯束能有效减少截面的主拉应力，提高箱梁的抗裂、抗剪能力。其次，大桥竖向预应力采用二次张拉钢绞线技术。二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固系统施工工艺以安全稳定性强，工程安全性好，低回缩，高效率，可有效减小腹板主拉应力，避免腹板斜裂缝。

5.4 跨中下挠问题

跨中下挠是预应力混凝土梁桥一个较普遍的现象，虎门大桥辅航道桥跨中最大下挠已达到26cm。主因在于混凝土箱梁收缩及徐变、因开裂而导致的箱梁刚度变化、箱梁纵向预应力有效性降低、由施工偏差及车辆超载引起的荷载增加等。大桥采取了增加顶板负弯矩钢束、采用塑料波纹管、真空辅助压浆工艺等措施，并规定箱梁所有预应力施工都应在混凝土养护龄期不小于7d，混凝土达到设计强度90%以上才能施工。

6 结束语

高墩大跨连续刚构桥相对技术成熟、适应性强、施工方便、投资省、后期养护费用少，是山区交通项目中具有强竞争力的桥型方案。但同时部分大跨连续刚构也出现了跨中下挠过大及箱梁出现超规范的裂缝等问题。本桥设计在总结国内已建桥梁经验的基础上，为避免上述问题进行了系统的研究，并在设计过程中采取了相应的对策，为以后同类型桥梁设计积累了一定的经验。目前该项目正在施工建设当中。

参考文献

[1]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范.

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土设计规范.