某尾矿库大跨径现浇桥设计

刘庆华

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 工程概述

瓦磁地2号大桥为王庄堡至繁峙高速公路上一座大型桥梁，本桥在繁峙县瓦磁地村北跨越一尾矿库区。桥位两岸侧壁黄土受尾矿水的浸泡，易发生崩塌、滑塌现象，根据初步设计批复意见及《繁峙县瓦磁地永旺选矿厂尾矿库对王繁高速公路影响安全评估报告》中提出的“基于安全考虑，建议对该尾矿库进行闭库处理，尾矿库两侧坡岸桥墩应设计位于远离尾矿库位置，并做好桥墩的基础及保护措施”建议，结合地形条件，桥型方案确定为（65+120+65）m预应力混凝土连续刚构，桥梁全长259 m。

2 设计技术标准

a）道路等级 双向六车道高速公路，路基宽度33.5 m；

b）设计行车速度 100 km／h；

c）汽车荷载等级 公路-Ⅰ级；

d）桥梁所处环境类别 Ⅱ类；

e）桥面净宽 2×15.5 m；

f）地震烈度 地震动峰值加速度为0.15g，相应于地震基本烈度为Ⅶ度。

3 工程地质条件

3.1 地形、地貌

桥址位于山前黄土丘陵区，微地貌为黄土冲沟、陡坎、斜坡，地势起伏较大。

3.2 地层时代、成因及岩性特征

桥址地层主要由第四系全新统（Q4）填筑尾矿、上更新统（Q3）、中更新统（Q2）洪积物和上第三系上新统冲洪积物（N2）构成。

3.3 湿陷性黄土

两侧桥台均覆盖Q3稍密坚硬湿陷性黄土，桥址区属于自重湿陷场地，湿陷等级为Ⅲ级，厚度为13.0～16.3 m。

3.4 尾矿

本桥跨越尾矿库，位于尾矿坝上游约700 m，线位附近库区水深5～7 m，宽约46 m，库区岸边受水冲刷坍塌严重，对桥墩稳定性有较大影响。

图1 尾矿库实貌

4 总体设计

4.1 桥型布置

根据初步设计审查意见，考虑尾矿坝水库影响，施工图设计阶段采用上一孔跨越，库区内无桥墩设计，最近桥墩距离库区岸边37 m，全桥跨径组成为（65+120+65）m；桥梁平面位于直线段内，纵面采用0.5%单向纵坡。

4.2 结构体系

桥梁采用三跨连续刚构体系，全桥分左右两幅，主墩墩梁固结。

4.3 上部结构

4.3.1 材料

主梁采用C50混凝土。

图 2 桥型总体布置图（单位：cm）（比例：1∶1 000）

4.3.2 结构尺寸

桥梁横断面采用上下行分离的单箱单室直腹板箱形断面。支点处梁高7.0 m，跨中处梁高2.7 m，箱梁高度按1.8次抛物线变化。箱梁顶板宽度为16.5 m，底板宽度为8.5 m。0号块顶板厚度为50 cm，底板厚度为100 cm，腹板厚度为80 cm；其他块件顶板厚度为32 cm，底板厚度从根部的100 cm按1.8次抛物线变化至跨中的32 cm，1～9号块腹板厚为80 cm，12～17号块腹板厚为 55 cm，10号块、11号块为腹板厚度变化段。

全桥除在梁端、跨中两侧16′号梁段、及0号块设置横隔板外，其余位置均不设置横隔板，其中0号梁段横隔板厚180 cm，端横梁厚150 cm，16′号梁段横隔板厚25 cm。

主桥边跨现浇段长3.76 m，采用支架现浇法施工；边、中跨合拢段长度均为2 m，均采用吊篮现浇施工；其他梁段采用挂篮对称悬臂浇筑施工。

4.3.3 预应力体系

主梁采用三向预应力混凝土结构，设纵向、横向、竖向预应力。

纵向预应力均采用高强低松弛钢绞线，锚具采用群锚。边跨底板、中跨底板束采用17φs15.2、19φs15.2，设计张拉吨位分别为 329.64 t、368.42 t；合拢束采用17φs15.2，设计张拉吨位为329.64 t；腹板束采用17φs15.2，设计张拉吨位为329.64 t；顶板束采用21φs15.2钢束，设计张拉吨位为407.20 t。纵向预应力在箱梁根部10个梁段布设腹板下弯钢束，其余梁段布设顶板束和底板束。

竖向预应力采用JL32精轧螺纹粗钢筋，设计张拉吨位为67.32 t，以50 cm等间距布置，每侧腹板内均按双肢配置。为方便施工竖向预应力兼做悬臂施工时挂篮的后锚点，挂篮前移后，必须对竖向预应力粗钢筋进行二次张拉（复拉）并封锚。横向预应力采用15-3型，纵向布置间距50 cm，预应力钢束设计张拉控制应力为0.72fpk＝1 339.2 MPa。悬臂顶板束、腹板束及竖向预应力随着施工阶段的浇筑分批对称张拉，边跨底板束及顶板束在边跨合拢后张拉，中跨底板束在中跨合拢后张拉。

4.4 下部结构

桥墩采用双薄壁矩形墩，双肢间净距为4.4 m，单肢矩形墩横桥向宽8.5 m，顺桥向长1.8 m。承台左右幅横向连成一体，尺寸为30.7 m×20.2 m，承台厚4.0 m。主墩基础采用28根φ2.0 m的钻孔灌注桩基础。

4.5 设计特点

4.5.1 三向预应力体系

主梁采用三向预应力混凝土结构，设纵向、横向、竖向预应力。

连续刚构桥受力较为复杂，适当地配置竖向预应力钢束与纵向预应力钢束配合使用，可控制箱梁的主拉应力。为确保竖向预应力钢筋的可靠性，满足箱梁主拉应力和抗剪的需要，对全桥腹板布置了竖向预应力钢束。纵向预应力在箱梁顶板、底板设置永久备用孔，用于运营期间由于徐变、断丝等影响的后期预防。箱梁预应力张拉顺序建议为纵向→横向→竖向。为避免施工干扰，保证预应力的有效传递，横竖向预应力滞后于纵向预应力3个阶段张拉。

4.5.2 墩梁固结处的设计

桥墩采用双薄壁矩形墩，墩梁固结形式与主梁连接。固结处采用梁部箱体直接固结于双柱墩顶的形式，并使双柱轴线与固结处梁部横隔板中心线一致，在横隔板与顶板和底板相交处都有比较强的梗腋。双柱墩的钢筋直接通过横隔板和顶板的钢筋连在一起，既能保证锚固长度，又能做到合理布置钢筋。这样就可以将上部梁体的内力传递到墩柱上，传力路径简捷，施工方便。

4.6 结构静动力分析

4.6.1 桥梁静力分析

a）主桥上部结构静力计算采用不同的程序进行计算与校核，进行了成桥状态下恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变、支座强迫位移、风荷载、温度变化等作用的计算[1]，以及施工阶段计算，其中施工阶段计算按照施工顺序及工艺，对每一施工阶段按安装挂篮、浇筑混凝土、张拉预应力、拆除、安装下一阶段挂篮等施工过程进行施工分析。荷载组合按《公路桥涵设计通用规范》规定进行组合，对结构的强度、刚度和应力进行验算[2]。上部结构整体分析结果如下：

（a）施工阶段混凝土最大压应力为13.5 MPa，小于规范限值22.68 MPa。

（b）承载能力极限状态正截面抗弯承载力根部截面最大弯矩为-702 486 kN·m，最小弯矩为-1 044 130 kN·m，截面抗力为 -1 363 301 kN·m；跨中截面最大弯矩为97 171 kN·m，最小弯矩为28 035 kN·m，截面抗力为 171 300 kN·m。

（c）正常使用极限状态压应力截面上缘储备最小位置为主梁根部截面，最小压应力为0.2 MPa；截面下缘储备最小位置为跨中截面，最小压应力为1.0 MPa。

（d）正常使用极限状态混凝土主拉应力最不利位置为11号梁段左截面，最大主拉应力为-0.8 MPa（考虑30%的有效竖向预应力）小于1.06 MPa。

（e）正常使用极限状态混凝土最大法向压应力为15.6 MPa，小于规范限值16.2 MPa。

（f）正常使用极限状态混凝土最大主压应力为14.7 MPa，小于规范限值19.44 MPa。

从上述验算结果可以看出，主梁各验算截面均满足全预应力混凝土构件设计要求。

b）箱梁横向桥面板分别按框架和简支板考虑固端影响两种模式进行计算，择其大者控制截面设计。

4.6.2 稳定分析

稳定分析考虑主梁最大悬臂状态下和成桥状态下的最不利工况进行分析验算，其中最大悬臂状态下的前3阶模态分别为纵桥向失稳、主墩纵桥向失稳、横桥向失稳，稳定系数分别为24.3、69.1、126.3；成桥状态下的前两阶模态分别为纵桥向失稳、主墩纵桥向失稳、横桥向失稳，稳定系数分别为25.8、58.7、156.1，桥梁稳定性验算满足要求。

5 施工方案设计

5.1 施工流程

桥梁上部结构采用挂篮悬臂浇筑法施工，施工流程为：

a）在主墩施工完毕后，搭设0号、1号梁段支架或托架，采用支架或托架进行梁段混凝土现浇施工，待混凝土强度达到标准强度90%且龄期7 d以上张拉纵、横向预应力钢束[3]。

b）在0号、1号梁段上安装挂篮，在挂篮上浇筑2号梁段，待混凝土强度达到标准强度90%且龄期7 d以上，张拉纵、横向预应力钢束[3]。

c）移动挂蓝，继续浇筑3号梁段，待混凝土强度达到标准强度90%且龄期7 d以上，张拉纵、横向预应力钢束及0号、1号梁段竖向预应力钢筋[3]。

d）重复 a、b、c三个步骤，直至 16 号、16′号梁段，悬臂施工时应注意挂篮对称平衡悬臂浇筑，设计挂篮重量按71 t考虑[3]。

e）在浇筑悬臂梁段的同时，安装桥台处支座，利用支架浇筑边跨现浇段。

f）利用支架浇筑边跨合拢段，完成边跨合拢。合拢前注意压重20 t、安装劲性骨架，张拉临时合拢束，待混凝土强度达到标准强度90%且龄期7 d以上拆除压重和劲性骨架，张拉纵、横、竖向预应力钢束。

g）拆除边跨支架。

h）安装吊架，利用吊架浇筑中跨合拢段，完成中跨合拢。同样，合拢前注意压重20 t、安装劲性骨架，张拉临时合拢束，待混凝土强度达到标准强度90%且龄期7 d以上拆除劲性骨架，张拉纵、横、竖向预应力钢束。

i）进行桥面系施工。

j）全桥竣工，投入运营。

5.2 主要施工保护措施

a）梁段施工时应逐块、对称、平衡进行悬臂浇筑施工。待浇筑梁段混凝土强度达到设计强度的90%后同时养护天数不得小于7 d方可张拉预应力钢筋或钢束。挂篮应在钢束张拉完成及管道压浆并经监理验收后方可向前移动。移动挂篮过程中，挂篮移动不同步差不得大于半个本施工阶段梁段长度。挂篮设计应有安全防护措施，防止杂物坠落伤人等意外发生。

b）悬臂浇筑过程中，在每个块件的前端顶、底板应设置几处观测点，测出每个阶段的标高变化情况，以控制节段的抬高量和各梁段预拱度设置。

c）在浇筑边跨现浇段过程中，应观测托架或支架的变形，并应采取措施（如钢滚筒）使现浇段与悬臂端标高及轴线的偏差最小。

d）在跨中合拢段混凝土未达到设计强度的80%之前，不得在跨中范围内堆放重物或行走施工机具。

6 后期养护

为确保桥梁处于正常使用状态，保证行车安全、畅通，应做好桥梁日常养护工作。桥梁后期养护主要分为桥梁检查、桥梁养护等。

6.1 桥梁检查

可采用经常检查和定期检查两种模式，经常检查需做到每月不少于一次，定期检查时间间隔不得超过3年。完工后首年投入使用应进行一次全面检查。内容包括：桥面系、上部构造、下部构造检查等。

6.2 桥梁养护

重点从桥面系、桥梁结构等方面做好养护工作。定期清扫桥面异物，保持整洁；及时修补桥梁受损结构，疏通排水构造物。加强桥梁工作状态监测，如有异常情况，应联系有关设计及施工单位给出合理解决方案，情况严重时需进行封闭式养护。

7 结论

预应力混凝土连续刚构桥目前属于比较先进的混凝土桥梁结构，它具有跨越能力大，抗裂性和可靠性高等优点，本文所引实例正是一座典型的预应力混凝土连续刚构桥，结构采用三跨连续刚构体系，全桥分左右两幅，主墩墩梁固结。本桥根据结构受力分析和实际地形，主梁采用了三向（纵向、横向、竖向）预应力混凝土结构和墩梁固结的设计特点。

预应力混凝土连续刚构桥的设计是一项系统的设计工程，需要从尺寸的拟定、桥跨的布设、钢束的布置以及下部结构形式的确定等方面进行设计，才能设计出一座安全、耐久、适用、环保、经济和美观的桥梁。本文通过工程实例分别从总体设计、上下部设计、桥梁结构计算分析、施工方案设计以及后期养护等方面进行了探讨，以期给同类工程借鉴参考。