矮腿Y形墩曲线连续刚构桥设计与施工

Y形墩连续刚构一般用于墩柱较高的工程，以降低结构因整体升降温及收缩徐变引起的次内力。本文依托背景工程，通过合理考虑桥梁基础的支撑刚度，解决了非软土地区矮腿Y形墩连续刚构的受力难题。同时研究了其施工方法，将国内类似工程常采用的挂篮或者支架小节段浇筑，调整为长节段支架法现浇，全桥梁段共分成三期浇筑，减少了工序，显著缩短了工期。

1 工程概况

郑州市郑东新区龙湖29#桥上跨东运河，设计方案采用了具有较强现代感和科技感的造型。见图1。

图1 桥梁效果

29#桥全长132.2 m，道路中心线位于半径850 m的平曲线上，双向六车道，设计车速50 km/h。主体结构采用曲线预应力混凝土Y形墩变截面连续刚构，跨径布置为35 m+58 m+35 m，道路中心线与墩位线正交。见图2。

图2 桥梁布置

桥梁全宽40 m，分为左右两幅，两幅桥之间翼缘板设置1 m宽的后浇带。桥面的横坡为双向1.5%，通过箱梁腹板变高实现，箱梁底在横桥向为平坡。中跨跨中梁高为1.7 m，高跨比为1/34.1；中墩斜腿根部的梁高为2.6 m，高跨比为1/22.3，边跨桥台附近梁高与中跨跨中一致，亦为1.7 m。边跨及中跨的梁高渐变段均按圆弧线变化。

每幅桥箱梁采用单箱四室斜腹板截面。人行道侧翼缘板悬臂长度为2.0 m，悬臂板端部厚度0.15 m，根部厚度0.45 m；车行道侧翼缘板悬臂长2.0 m，为加强后浇带，板厚适当加大，悬臂板端部厚度为0.25 m，根部厚度为0.45 m。边腹板斜度为1∶3.5。箱梁顶板厚0.25 m，底板厚0.25～0.5 m，腹板厚0.5～0.7 m。斜腿顶部位置的箱梁横梁厚2.6 m，桥台处边横梁厚1.5 m，中跨跨中设置一道0.3 m厚的横隔板。见图3。

图3 桥梁中墩断面布置

Y形墩柱由斜腿和墩座两部分构成，总高度为7.4 m。斜腿为变厚度的实心矩形断面，其横桥向的宽度变化与主梁外腹板斜度基本一致；为保证受力平顺及景观效果，与主梁交接处，斜腿外侧按8 m半径倒圆，内侧按0.5 m半径倒圆。为加强与主梁的连接并防止斜腿开裂，在斜腿中心线位置布置预应力钢束，钢束固定端置于Y形墩柱的墩座内，张拉端则位于主梁中横梁顺桥向的倒角处。Y形墩柱的墩座部分采用矩形片墩，顺桥向厚度为2.4 m，横桥向宽度变化与斜腿一致，均与主梁外腹板斜度基本相同；墩座与斜腿之间内侧按2 m半径倒圆，外侧按3 m半径倒圆。根据工程范围内的地质情况，单幅桥中墩采用12ϕ1.2 m的桩，顺桥向两排，按摩擦桩设计，桩长63 m。

2 主要特点及关键技术

2.1 矮腿刚构群桩基础的模拟方法

本桥Y形墩高仅7.4 m，墩柱高跨比为1/7.8，属于典型的矮腿刚构桥[1]，Y形墩抗推刚度较大，对上部结构自由变形的约束较大，升降温及混凝土收缩徐变对结构整体受力影响明显。

群桩基础作为下部结构中与土相接触最主要部位，分析较为复杂，常规桥梁初步计算中一般将承台底作为固结支撑处理。本桥因Y形墩柱较矮，承台底若采用固结处理，在整体升降温及混凝土收缩徐变作用下会导致斜腿、墩座及主梁等构件产生较大的拉压应力，其效应超过了恒载及汽车荷载[2]，难以满足规范要求，因此有必要将群桩基础作为弹性支撑精确考虑。

群桩基础弹性支撑的模拟方法有多种，比如原始模型、等代门形刚架模型、等代单柱式模型、截桩法等[3]。设计采用了含耦合项的群桩基础支撑刚度矩阵，其思路是建立承台底面以上部分的结构模型，求出群桩基础各方向及相互耦合后的支撑刚度系数，组成一个空间支撑刚度矩阵作为承台底的弹性支撑，求解后直接提取承台底的反力进行桩基础的验算。

墩土层从上往下依次为粉土、粉质黏土、粉砂及中砂层，地基土比例系数m取值较难确定。根据JTGD 63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》，初定m值为8 000～20 000 kN/m4；从安全性的角度考虑，对上述范围进行了扩展，将m分别取值为5 000、8000、20000、30 000 kN/m4进行结构验算，结果见表1。标准组合为1.0恒载+1.0整体降温+1.0汽车荷载。

表1 下部结构对上部结构的支撑反力

从表1可以看出：

1）承台底固结条件下，水平反力及弯矩均最大，据此验算下部结构，计算难以通过；

2）对于本桥，恒载与整体降温引起的水平反力、弯矩均为同一方向；

3）弯矩较大，与水平反力对下部结构的效应叠加而非抵消，有必要通过调偏心降低弯矩反力[4]。

Y形墩竖向中心线与分跨线重合，将承台及桩基础中心顺桥向往中跨跨中方向调0.3 m的偏心后，结构支撑反力中的弯矩计算结果见表2。

表2 调偏心后的弯矩

从表1和表2可以看出，调偏心对减小结构所受弯矩有明显作用。

2.2 m的实测结果

本桥属于有推力结构，m值是设计的关键参数；按m值5 000、8 000、20 000、30 000 kN/m4对群桩基础的弹性支撑刚度做包络计算；考虑到其不确定性较大，有必要进行单桩的水平静载试验[5]。在中墩承台外侧布置了1根同直径的试桩并采用中墩群桩基础作为桩基水平荷载试验的反力墙，进行单桩水平荷载试验，见图4。

图4 单桩水平荷载-位移曲线

根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》，可求得不同水平荷载下的m值，见表3。

表3 m实测推导值

从图4和表3可以看出，本次试验单桩水平静载最大加载量为1 045 kN，桩顶最大水平位移为39.80 mm；水平力为665 kN时，m值为9839 kN/m4。从表1可以看出，理论上m值为8 000 kN/m4时，标准组合下最大水平反力为7 766 kN，若均匀分配到12根桩，则单桩理论水平反力为647 kN；理论m值与实测结果吻合较好，但水平位移实测结果比理论值偏大。

2.3 长节段支架现浇施工及对应配束方法

Y形墩连续刚构的施工方法较多，比较典型的有挂篮逐节段悬臂浇筑、满堂支架短节段浇筑、满堂支架一次浇筑等。本桥工期较紧，施工现场具备搭设满堂支架的条件，故设计采用了长节段支架现浇施工，主要施工流程见图5。

图5 主要施工流程

主梁采用分段浇筑施工，分为0#块（即一期浇筑梁段），二期浇筑梁段，中跨合龙段（即三期浇筑梁段）。其设计思路是：先形成Y形墩柱与主梁0#块构成的三角形稳定刚架结构；然后在支架上施工二期梁段（大节段）；最后浇筑2 m的中跨合龙段，张拉中跨合龙钢束，全桥结构形成。为了降低收缩徐变影响，改善结构受力，中跨合龙时对两悬臂端进行了对顶，对顶力为1 500 kN。

主梁按预应力混凝土A类构件设计，仅布置纵向预应力束，纵向预应力束分为0#块钢束、二期梁段顶板束、二期梁段腹板束、中跨合龙顶板束及中跨合龙底板束，钢束共采用15-15、15-12及15-9三种规格，见图6。

图6 纵向钢束配置

2.4 Y形墩柱斜腿与主梁0#块组成的三角架施工

Y形墩柱的斜腿部分与主梁0#块（即一期梁段）组成的三角架受力复杂，混凝土体量大，是本桥施工的关键步骤。见图7。

考虑到Y形墩线形较为复杂，施工中采用了整体式钢模板，确保了外观质量。Y形墩柱施工分为3个阶段：第1阶段施工墩座；第2阶段施工斜腿；第3阶段施工主梁0#块。第2阶段施工中在两斜腿之间竖向设置了3道精轧螺纹刚水平拉杆以抵抗施工过程中斜腿的水平位移。

图7 斜腿与主梁0#块组成的三角架施工

3 结语

本桥为典型的矮腿Y形墩连续刚构桥，所处地区也并非软土地区，结构设计存在一定难度。设计中考虑了群桩基础的弹性支撑刚度，通过水平荷载试验验证了地基土水平比例系数m取值的正确性及桩基础抵抗水平荷载的能力；采取下部结构调偏心、跨中合龙前对顶梁段对方法改善了结构受力。施工中采用长节段支架现浇施工，受力明确且工期较短，比逐节段悬浇法节省工期约3月。