山区大跨连续刚构桥设计方案优化研究

陈洪林

(湖南省龙永高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺 416700)



山区大跨连续刚构桥设计方案优化研究

陈洪林

(湖南省龙永高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺 416700)

为了确定地形复杂山区大跨度连续刚构桥较合理的跨径布置，以湖南省龙永高速公路红岩溪大桥连续刚构桥为工程背景，根据实际地质、地形和施工条件等进行了设计方案的比较优化。结果表明：优化后的设计方案降低了施工难度，缩短了工期，避开了不良地质断面，并保护了环境。以往一些刚构桥方案比选最终选择较小跨度连续刚构为选定方案，而工程背景下确定了较大跨连续刚构为选定方案，可见，跨径布置的确定应该针对不同山区桥位的不同实际情况区别对待。

连续刚构桥； 山区； 跨径布置； 地质情况； 优化

1 概述

具有深沟峡谷地貌和起伏崎岖地形的山区经常需要修建桥梁来跨越河流或山谷，这些山区地质条件特殊，修建桥梁时多采用高墩。连续刚构桥因其自身的特点及受力性能得到了广泛应用[1-4]。连续刚构桥的跨径布置对结构设计、施工、经济和环保等方面均有重要的影响。对这方面的研究和探讨并不多，文献[5]给出了3个比选方案，最终选取了较小跨度连续刚构为选定方案；文献[6～8]主要给出了不同桥墩形式(含单肢和双肢桥墩)不同刚度设计对刚构桥结构受力和造价等方面的影响；文献[9]主要比较同一桥位连续梁桥和连续刚构桥方案的比较；针对不同山区桥位是否都如文献[5]一样应该选择较小跨度的连续刚构桥方案值得研究。本文以湖南省龙永高速公路红岩溪大桥连续刚构桥为工程背景，结合实际地质状况，进行方案优化，探究山区连续刚构桥跨径布置的选取是否均为较小跨为宜。

2 工程背景

本文工程背景为湖南省龙永高速公路红岩溪大桥连续刚构桥，原设计方案跨径布置为：(5×40 m)T梁+(66 m+120 m+66 m)连续刚构+(16×40 m)T梁[10]。立面图如图1所示。

原设计方案采用单箱单室箱形截面，连续刚构墩顶箱梁截面的梁高为7.0 m，中跨跨中处的梁高为3.1 m，箱梁顶板宽度为12 m，底板宽度为6.5 m，根部断面和跨中断面分别如图2和图3所示。箱梁全长252 m，大部分位于-0.5%的纵坡段，少部分位于竖曲线段，顶板坡不设超高，为单箱单向-2%横坡。

图1 原设计桥型布置立面图Figure 1 The elevation graph of original bridge-span arrangement

图2 箱梁根部断面图(单位： cm)Figure 2 The box girder section graph of pier top(unit： cm)

图3 箱梁跨中断面图(单位： cm)Figure 3 The box girder section graph of mid-span(unit： cm)

连续刚构桥上部结构采用对称悬臂挂篮施工。每个T构均分成18个梁段，0号梁段长13 m，1号～17号梁段分段为3×250 cm+8×300 cm+6×350 cm；边跨现浇段长5 m；边跨和中跨合龙段长均为2 m，边跨现浇段和合龙段可同时完成[10]。

连续刚构桥的两个主墩均设计为双肢变截面的空心墩。每个单肢空心墩由三节组成，具体尺寸如图4所示。

图4 原方案主墩构造图(单位： cm)Figure 4 The structural graph of original main pier(unit： cm)

引桥均采用40 m预制T梁，T梁梁高2.5 m，跨中处肋板厚0.2 m，支座处肋板厚0.6 m；每跨半幅桥横截面设计了5片T梁，梁距2.4 m。40 mT梁采用先简支后连续结构形式，一联孔数不大于5孔。除2、3、10号墩采用墩梁固结以外，其余各墩均设支座。

3 设计方案的优化

3.1 原设计方案的不足

① 高墩数量较多，5号～12号桥墩高度都在50 m以上，最大墩高达130 m，高墩施工的难度较大，施工周期较长，施工的安全隐患较大，还需作专题风险评估。

② 7号墩临近深沟底，沟溪流水易涨易退，涨水时洪水湍急，对桩基附近冲刷影响很大，桩基、承台施工很不利，必须加强施工中及后期的防冲刷措施。

③ 7号主墩处于坡脚位置，在桩基施工和承台基坑开挖时，可能对X010路基造成破坏，且对施工人员及车辆行人带来重大安全隐患。

④ 由于7号主墩处于坡脚位置，位于X010公路的下方，为了路基的稳定，下边坡及坡脚必须进行加固；由于8号主墩处于X010公路的上边坡方，山坡陡峭，约65度，基础施工时，土体可能会产生崩塌，对X010的运营及7号墩施工造成安全隐患。故此，施工前必须采取措施，对边坡进行防护。

⑤ 5号墩的地质状况是本项目岩溶最发育的，有溶洞；对于发育的岩溶的处理，施工中的费用是无法预计的。

3.2 设计方案优化

针对原设计方案的不足，在保持路线线形不变的情况下，对大桥桥跨进行局部调整，优化后的设计方案为：(4×40 m)T梁+(116+220+116 m)连续刚构+(12×40 m)T梁。原设计0号台至4号墩位置不变，取消5～11号桥墩，调整跨径后主墩位置位于原方案6、9号墩附近，4、12号墩作为刚构桥与T梁的过渡墩。其余桥墩位置均保持不变，总桥长不发生变化。桥型布置如图5所示。

图5 优化后的桥型布置立面图Figure 5 The elevation graph of optimized bridge-span arrangement

优化设计方案采用单箱单室箱形截面，连续刚构墩顶箱梁截面的梁高为13.4 m，中跨跨中处的梁高为4 m，箱梁梁高按1.8次抛物线变化，箱梁底板宽度为6.5 m，根部断面和跨中断面分别如图6和图7所示。

连续刚构桥上部结构采用对称悬臂挂篮施工。每个T构均分成27个梁段，0号梁段长12 m，1号～26号梁段分段为5×300 cm+4×350 cm+5×400 cm+12×450 cm；边跨现浇段长5 m；边跨和中跨合龙段长均为2 m，边跨现浇段和合龙段可同时完成。

图6 优化后箱梁根部断面图(单位： cm)Figure 6 The optimized box girder section graph of pier top(unit： cm)

图7 优化后箱梁跨中断面图(单位： cm)Figure 7 The optimized box girder section graph of mid-span(unit： cm)

连续刚构桥的两个主墩分别为6、9号桥墩，6号桥墩墩高为106.579 m，9号桥墩墩高为52.339 m，6号桥墩设计为变截面空心墩，墩底纵横向尺寸为12×8 m，墩顶纵横向尺寸为9×8 m，区间按直线变化；9号桥墩设计为等截面空心墩，纵横尺寸为6×8 m，优化后主墩构造图如图8所示，左为6号墩构造图，右为9号墩构造图。

图8 优化方案主墩构造图(单位： cm)Figure 8 The structural graph of optimized main pier(unit： cm)

引桥仍采用40 m预制T梁，上部和下构构造与原设计方案相同，只是跨数改变了。

3.3 设计方案的改进

① 取消了5个空心高墩，即：5号墩墩高74 m，7号墩墩高130 m，8号墩墩高93 m，10号墩墩高70 m，11号墩墩高73 m；取消的桥墩高度都在70 m以上，最大墩高达130 m，降低了施工难度，缩短了施工工期。

② 取消了7号桥墩，避免了水流冲刷对桩基、承台的影响，节约了防冲刷措施。

③ 取消了7号、8号桥墩，彻底解决了对X010公路及公路运营的安全隐患。

④ 取消了7号、8号桥墩，取消了河沟及上边坡的大量防护设施。

⑤ 优化方案桥墩避开了原5号墩位置的岩溶发育地带。

⑥ 较好地保护了生态环境。由于山坡上桥墩基础开挖的工作量大量减小，对于山坡上植被能最大程度上得到保护。

3.4 设计方案可行性

大跨度挂篮现浇是成熟的施工工艺，本项目优化为主跨220 m是可行的。采用有限元软件CSU混凝土桥梁安全分析与控制系统V1.0(简称BR-CAL-Z)[11]，对优化方案116 m+220 m+116 m连续刚构桥进行有限元建模分析，按设计图确定的施工工序分析了施工全过程和成桥状态的应力和变形情况，有限元计算考虑了结构自重、车道荷载、混凝土收缩徐变、预应力、温度变化、施工临时荷载等的影响。计算结果表明：短暂状况下应力(上缘应力最小值-0.15 MPa)满足规范要求；持久状况下(上缘应力最大值16.7 MPa)上部结构能满足《规范》中全预应力结构正常使用极限状态及承载能力极限状态要求，下部结构亦满足正常使用极限状态(墩底计算裂缝宽度0.172 mm)及承载能力极限状态要求。验证了优化设计方案的可行性。

4 方案比选

将原设计方案与优化后设计方案进行综合分析对比，对比情况见表1。

表1 设计方案优化前后对比情况Table1 Thecomparisonoftheoriginalandtheoptimizeddesignscheme项目原设计方案优化设计方案5×40mT梁+(66+120+66m)连续刚构+16×40mT梁4×40mT梁+(116+220+116m)连续刚构+12×40mT梁主墩方案4#～12#墩间共布置9个高墩;最高墩7#墩高达126.8m;7#、8#主墩为双肢薄壁空心墩,高墩施工难度大,施工周期长;7#主墩临近河道,河水冲刷对桩基、承台施工及维护影响较大4#～12#墩间取消5个桥墩,共布置4个高墩;最高墩6#墩高为106.3m;6#、9#主墩为箱型空心墩,高墩施工难度相对降低,施工进度加快;主墩远离河道,不需考虑河水冲刷对桩基、承台影响主梁方案箱梁采用挂篮悬浇施工,工艺成熟;主梁跨径小,设计、施工难度较低,施工精度容易控制;施工周期相对较短箱梁采用挂篮悬浇施工,工艺成熟;主梁跨径大,主梁施工质量控制难度加大,施工控制精度要求更高。施工周期相对较长地质影响7#墩临近县道X010,施工严重影响县道X010运营安全性,县道X010下边坡支护工程量大。8#墩位置地质条件较差,支护工程量大。施工严重影响县道X010运行,需设置抗碎落石防护棚架,存在较大安全隐患取消了7#、8#墩两处陡峭边坡的高墩施工,降低了边坡支护费用,根据咨询报告,7#、8#边坡防护费用约为200万元和400万元。彻底解决了桥墩施工对县道X010的影响,施工安全性大幅提高环境保护7#、8#墩施工便道修建对山体破坏较大避免了7#、8#墩施工施工对山体破坏,保护了生态环境工期对比总工期29个月总工期28个月总造价16376万元17058万元

5 结论

① 优化前后两种连续刚构桥跨布置方案均可行。两者工期和造价比较接近，优化设计方案比原方案总工期节省1个月，造价多出682万元。

② 相较于原方案，优化设计方案取消了5个高墩，降低了工程难度；减少桥墩避开了不良地质断面；同时由于开挖减小，较好地保护了环境。从施工、安全、环保等方面都有所改善，因此优化后的116+220+116 m跨径布置成为选定方案。

③ 以往一些刚构桥方案比选最终选择较小跨度连续刚构为选定方案，而本文工程背景下确定了较大跨连续刚构为选定方案，可见，跨径布置的确定应该针对不同山区桥位的不同实际情况区别对待。

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[11] 李传习，夏桂云.大跨度桥梁结构计算理论[M].北京：人民交通出版社，2002.

The Study on Optimization of Design Scheme of the Long-span Continuous Rigid Frame Bridge in Mountain Area

CHEN Honglin

(Hunan Longyong Highway Construction Development CO.， LTD， Yongshun， Hunan 416700， China)

To determine the more reasonable span arrangement of the long-span continuous rigid frame bridge in mountainous area，basing on the Hongyanxi bridge at Hunan Longyong highway，according to the actual geology，terrain and construction conditions，optimizing the design scheme.The results show that the optimized design scheme reduces the construction difficulty，shortens the time limit，avoids the bad geological sections，and protects the environment；the study before chose smaller span for the last scheme when comparing several schemes，but in this paper，the last choose is the larger span continuous rigid frame，so the span arrangement is up to the actual geological conditions of the different bridge.

continuous rigid frame bridge； mountain area； span arrangement； geological condition； optimization

2016 — 04 — 13

陈洪林(1976 — )，男，湖南湘乡人，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理工作。

U 448.23+1

[文章编号] 1674 — 0610(2016)05 — 0123 — 05