高墩大跨度连续刚构桥的设计探讨

余科辉

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 高墩大跨度连续刚构桥存在的主要问题

1.1 箱梁开裂

(1)腹板斜裂缝

腹板斜裂缝又叫做剪切裂缝，是箱梁最为常见的一种裂缝，根本原因是由截面主拉应力过大引起的。进一步说，截面尺寸不合理、尺寸偏小、腹板下弯束偏少、竖向预应力有效性不足都能导致主拉应力过大从而产生腹板斜裂缝。腹板斜裂缝一般出现在两个区域，一是主跨L/4附近(L为主跨跨径，下同)，一是边跨支点附近。

(2)底板纵向裂缝

底板纵向裂缝是由于底板横弯受力引起的，其中底板预应力钢束径向力引起的底板崩裂最为常见。连续刚构箱梁底板曲线通常采用2次或者1.8次抛物线，布置在底板的纵向预应力钢束会产生较大的径向力，使底板横向弯曲变形，从而导致底板出现纵向裂缝。由于连续刚构底板束较多且对底板截面削弱较大，在底板预应力张拉施工过程中，极易发生底板崩裂的现象。

(3)顶、底板横向裂缝

顶、底板横向裂缝是由于主梁纵弯受力引起的。当箱梁纵向预应力配置不足、预应力损失严重、预应力孔道的位置偏差、汽车超载等均会使顶、底板(尤其是跨中底板)产生横向裂缝。

1.2 跨中下挠

跨中下挠过大指的是桥梁在运营阶段出现了大于理论计算值的下挠。对于早期修建的连续刚构桥梁，跨中下挠是一个比较普遍的病害，并且随着刚构跨径的加大愈发突出。如湖北黄石大桥，主跨245 m，运营十年后发现下挠335 mm。

经研究，导致连续刚构桥下挠的主要因素有：混凝土收缩、徐变，设计配束偏少导致预应力度偏低，预应力长期损失(尤其是竖向预应力)导致预应力度不足，施工质量差。

1.3 高墩刚度不足

山区大跨度连续刚构桥通常跨越较深的沟谷，主墩的墩高普遍偏高。贵州毕节至威宁高速上的赫章特大桥，最高主墩195 m，号称亚洲第一高墩；陕西旬邑高速公路上的三水河特大桥，最高主墩183 m；四川雅安至西昌高速公路上的腊八斤特大桥，最高主墩182.5 m。这些超高墩刚构桥多跨越峡谷，桥址风速较大，为了抵抗横桥向风荷载，桥墩应具有足够的横向刚度。现有的公路桥梁规范对高墩稳定性提出了要求，但没有对高墩的墩顶横向位移提出要求，造成了部分连续刚构桥梁的桥墩刚度不足。桥墩横向刚度不足，当横向风出现时，桥梁易产生横向摆动，导致横向位移偏大、横向加速度偏大，从而降低了行车或行人的舒适性。

2 高墩大跨度连续刚构桥的设计对策

2.1 南醒河特大桥概况

南醒河特大桥位于云南省西双版纳勐腊县，桥梁为跨越V型深沟而设。桥梁大桩号侧接隧道，桥梁处于分离式路基段落，单幅桥梁宽度为12.55 m。主桥采用105 m+180 m+105 m预应力混凝土连续刚构，箱梁根部梁高11 m，跨中梁高4 m，箱梁高度按1.8次抛物线变化。6#主墩采用等截面空心墩，墩高70 m；7#主墩采用变截面空心墩，墩高165 m；两主墩高差95 m。

2.2 确定合理的箱梁尺寸

连续刚构之所以容易出现开裂、跨中下挠，很大一部分原因是由于箱梁构造尺寸选择不合理。箱梁的梁高及梁底抛物线、腹板厚度、0#块尺寸等都需要根据计算合理确定。

早年设计的连续刚构桥箱梁高度取值偏小，如大多桥梁根部梁高取L/18左右，容易出现结构整体刚度不足的问题。梁高不够，预应力配束容易过多，结构长期处在高应力状态，在收缩徐变的作用下，长期下挠在所难免。大量工程实践证明，箱梁的根部梁高取L/16～L/17，跨中梁高通常取L/40～L/50，梁底曲线：当L<150 m时，采用2次抛物线；当L≥150 m时，采用1.8次抛物线。

建国初期设计的一些连续刚构桥，当时从经济性考虑腹板厚度取值偏小，出现了较多腹板斜裂缝。究其原因，还是由于腹板尺寸小造成主拉应力偏大引起的。腹板的厚度也不宜过大，否则会造成恒载的加大，对结构受力不利。根部腹板厚度根据跨径的大小确定，一般取65～90 cm。跨中腹板厚度需要满足构造要求，必须要有足够的空间放置纵向及竖向预应力，跨中腹板的厚度通常不小于45 cm。根部到跨中腹板厚度利用1～2个节段采用线性渐变过渡，根部腹板厚度大于80 cm时，通常需采用两次渐变，以便尽量减少恒载引起的弯矩。

南醒河特大桥根部梁高11 m为L/16.4，跨中梁高4 m为L/45，以及梁底曲线采用1.8次抛物线，均为较合理的尺寸选择。大桥主梁腹板厚度从根部80 cm渐变到跨中55 cm，渐变位置位于L/3处，满足了足够的抗剪及主拉需求，也利于腹板下弯束的布置。0#块受力极其复杂，本桥采用实体建模计算，加大了0#块的尺寸；悬臂根部底板厚度1.2 m，在0#块处底板加大为1.5 m；悬浇段顶板厚度30 cm，在0#块处顶板加大为60 cm，并增加悬浇段与0#块相接的倒角尺寸，便于传力更顺畅、更合理。

2.3 设置合理的腹板下弯束

(1)腹板下弯束设置的范围不能太小。早期的一些桥梁，腹板下弯束仅设置在0#块附近的几个节段。南醒河特大桥充分吸收以往经验教训，加大了腹板下弯束的设置范围，腹板下弯束设置到18#节段(最大悬浇节段为21#节段)，离跨中合拢段仅剩3个悬浇节段。

(2)腹板下弯钢束的排数也建议增加。过去较多桥梁，一个腹板仅设置一排腹板下弯束。南醒河特大桥充分利用了根部腹板的厚度，在80 cm腹板的区域，一个腹板均设置了双排腹板下弯束。

(3)腹板下弯束应尽量下弯靠近底板。调查发现，大多数刚构桥腹板下弯束仅下弯至2/3梁高处，无法在全梁高范围提供竖向预压应力，所以这样设置是没有理论依据的。为了使箱梁全梁高受到预应力的约束，在满足钢束张拉空间要求的前提下，应尽量使腹板下弯束覆盖更大的梁高范围。南醒河特大桥腹板下弯束考虑张拉空间的要求，腹板下弯束张拉端距底板底缘的竖向高度为1.5 m左右。

2.4 竖向预应力采用低回缩二次张拉锚固系统

早期修建的连续刚构桥，竖向预应力基本采用精轧螺纹粗钢筋，配合简易的YGM螺母式锚具。竖向预应力粗钢筋长度一般仅10 m左右，长度短则张拉伸长量就小，一旦出现了微小的压缩变形，就会造成较大的预应力损失。

总结了以往工程实践的经验教训，南醒河特大桥采用低回缩二次张拉锚固系统。首先，将预应力粗钢筋优化为预应力钢绞线，张拉伸长量增加了，改善了粗钢筋伸长量小不宜控制的问题。其次，预应力钢绞线采用二次张拉，能消除第一次张拉因锚具回缩变形引起的预应力损失。具体操作方法为：第一次按夹片式锚具通用张拉施工方法整束张拉并锚固，2～16 h内进行第二次张拉，第二次用H形支承架支承千斤顶，采用连接器与张拉杆相连，将锚环整体拉起，张拉至设计张拉力，拧紧外圈支承螺母，完成第二次张拉。

2.5 加强设计应力控制

从调查情况来看，应力控制偏紧、走规范下限是较多桥梁普遍存在的设计弊端。由于实际施工情况与设计存在偏差，有限元建模计算也很难真实反映，应力控制应该留有一定富裕。根据多年工程实践，本文对设计应力提出了以下高于规范的要求。(1)在不考虑竖向预应力的情况下，仅考虑纵向预应力，主拉应力就能满足规范的要求。(2)对于全预应力混凝土，应适当提高跨中下缘压应力储备，在标准组合下跨中下缘压应力宜≥(1+L/100)MPa。南醒河特大桥在不考虑竖向预应力情况下，最大主拉应力1.0 MPa，满足规范要求；在标准组合下，跨中下缘压应力2.5 MPa，有一定的压应力储备。

2.6 加强细节构造设计

上文已经提到，底板束的径向力容易引起跨中底板崩裂，设计上必须加强细节构造设计。为了抵抗底板束径向力造成的底板横向弯曲开裂，南醒河特大桥在跨中增设一道横隔板；其次，在底板钢束曲线段设置了直径16 mm间距20 cm的U型防崩钢筋。

2.7 风振舒适度控制高墩横向刚度

山区连续刚构桥出现了一些超高主墩，在峡谷横风作用下，桥墩会左右摆动，引起类似于简谐振动的现象。随着风振加速度增大，就会引起行车或行人的不舒适性，出现了桥墩刚度不足的弊端。

3 结 语

针对高墩大跨度连续刚构桥梁出现的梁开裂、跨中下挠、桥墩刚度不足等问题，设计上采取有效的应对措施，通过优化结构尺寸、合理设置预应力钢束、采用先进的二次张拉工艺、提高结构应力储备、加强细节构造设计以及通过风振舒适度将桥墩横向刚度控制在一个可靠范围，从而提高桥梁的安全性及耐久性。