山区高墩连续刚构桥设计

李 航，黄永福

（云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明 650041）

1 工程概况

稿吾卡1号大桥位于元蔓高速公路红河段，为跨越红河而设，是元蔓高速公路控制性工程之一。该桥位于分离式的路线段上，单幅桥宽为12.5 m，其中，主桥为（58+105+58）m连续刚构桥，最大墩高86 m。

图1 主桥桥型布置图（单位：cm）

2 主桥主要结构设计

2.1 上部结构设计

主桥为预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为（58+105+58）m，箱梁顶宽12.5 m，底宽7 m，采用单箱单室断面，箱梁标准断面如图2所示。T构一般采用悬臂浇筑法进行施工，考虑施工便利及挂篮承重，现浇节段长按3～4 m进行划分，边跨现浇段长4.42 m，全桥共划分为13个节段，最大悬臂浇筑节段混凝土重约150 t。箱梁根部梁高为6.5 m，跨中梁高为2.3 m，梁高曲线方程为：H=4.2×（X/46.5）1.8+2.3；根部底板厚度为0.8 m，跨中底板厚度为0.32 m，底板厚度曲线方程为：D=0.48×（X/46.5）1.8+0.32 ，式中H表示箱梁梁高，D表示箱梁底板厚度，X表示距T构最大悬臂端部的距离。

图2 箱梁标准断面（单位：cm）

2.2 预应力体系设计

主桥箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系，其中，梁高小于6 m的竖向预应力筋采用直径32 mm的精轧螺纹钢筋，其余均采用公称直径为15.2 mm的高强度低松弛钢绞线（标准强度1 860 MPa）。同时，考虑到为防止桥梁运营过程中出现跨中下挠过大、箱梁底部横向开裂等病害，设计中在主桥中跨设置了预备体外钢束的相关配套构造，为将来进行预应力补强加固提供便利。

2.3 下部结构设计

主墩采用双肢薄壁墩，单肢平面尺寸为7×2.5 m，双肢中心距为7.5 m，基础采用9根（3×3）的群桩基础；过渡墩为薄壁空心墩，采用4根（2×2）的群桩基础，根据地质情况主桥桩基均采用摩擦桩。

3 结构分析

3.1 主要计算荷载

a）恒载 一期恒载（自重）、二期恒载（桥面系）。

b）汽车荷载 公路-I级，按三车道设计，偏载系数取1.2。

c）温度荷载 整体升温（+30℃），整体降温（-16℃），温度梯度按规范取值。

d）风荷载 桥面运营风速为25 m/s，1/100设计基本风速为24.4 m/s。

e）基础不均匀沉降 150 mm。

f）制动力荷载 627.3 kN（同向单车道标准值）。

g）地震基本烈度 7度，地震动峰值加速度0.15g，反应谱特征周期0.45 s。

3.2 上部静力计算

主桥上部结构按全预应力构件进行设计，主墩按普通钢筋混凝土构件进行设计；上部结构采用C55混凝土，下部结构采用C50混凝土。建立有限元模型时，墩底采用固结处理，边跨采用滑动支座模拟主梁与过渡墩连接。

图3 主桥有限元计算模型

3.2.1 施工阶段计算

设计时按照实际施工流程划分施工阶段，并考虑30年收缩徐变的影响。设计时，施工阶段箱梁截面未出现拉应力；成桥阶段箱梁上缘压应力最大值为-10.0 MPa，最小值为-4.1 MPa；箱梁下缘压应力最大值为-10.8 MPa，最小值为-4.1 MPa；跨中合龙段压应力为-7.6 MPa。

3.2.2 使用阶段计算

表1 上部结构主要控制截面应力 MPa

经计算，正常使用极限状态下截面主拉应力小于允许值0.4ftk=1.096 MPa，截面最大压应力均小于允许值0.5fck=-17.75 MPa，斜截面主压应力均小于允许值0.6fck=-21.3 MPa，满足规范要求。

3.3 下部结构静力计算

施工阶段，最大悬臂状态为最不利工况，因此仅考虑了最大悬臂状态时墩底截面的受力情况；运营阶段，分别考虑了运营风和极限风作用下对墩底截面的影响。通过计算，桥墩墩底截面强度及裂缝宽度满足规范要求。

3.4 稳定计算

最大悬臂施工阶段为稳定控制的最不利阶段；高墩第1阶屈曲模态均为侧倾（向桥墩纵主面外倾斜）[1]。因此，设计时以最大悬臂状态进行稳定控制，计算时，第1阶失稳模态为横桥向失稳，稳定系数为20.9，结构稳定满足要求。

3.5 地震反应分析

连续刚构桥地震的作用效果主要体现在桥墩的底部和顶部，墩身内力反应最大值发生在墩底界面处，此截面是墩体最危险截面[2]。因本桥地处高地震烈度区，且地处重要高速公路路段，设计时提高控制标准进行控制。经分析，本桥主要的模态为1、2、3阶模态，第1阶模态为横桥向振动，横桥向振型参与质量为69.8%，第3阶模态为顺桥向振动，顺桥向振型参与质量为82.8%。设计时采用反应谱法进行计算，地震作用与永久作用组合后，分别考虑组合1：恒载＋E（顺桥向），组合2：恒载＋E（横桥向）两种荷载组合形式。

表2 E1地震作用下墩底截面计算结果

表3 E2地震作用下墩底截面计算结果

按照规范要求，设计时，在E1地震作用下，按墩柱最不利截面弯矩应小于截面初始屈服弯矩进行控制；在E2地震作用下，按墩柱最不利截面的弯矩小于截面等效屈服弯矩进行控制。E1地震作用下，外肢截面更不利，因此对墩柱的外肢墩底截面进行验算；E2地震作用下，横、顺桥向墩底截面的弯矩皆小于等效屈服弯矩。通过计算，结果显示结构满足规范要求。

4 合龙顶推设计

大桥中跨合龙前进行顶推有利于改善墩柱的受力状况，通过合龙时施加适当的顶推力，减小了混凝土连续刚构桥由合龙温差、混凝土后期收缩徐变等产生的附加次内力，平衡了主墩水平偏位，对桥梁结构后期受力有利，增加了结构安全度[3]。该桥为三跨连续刚构，设计中采用先边跨后中跨的顺序，并模拟在15℃～20℃范围内的条件下进行合龙，计算时，在中跨悬臂端施加750 kN的水平力以模拟顶推力，并控制梁体产生28 mm的水平位移，以降低合龙温差、混凝土收缩徐变等因素对结构的不利影响。

5 结语

连续刚构桥是云南山区公路中常用的一种大跨度桥型，该桥型在设计技术及施工工艺等各方面都比较成熟，对云南山区公路建设来说是一种比较经济合理的选择。本文以元蔓高速公路稿吾卡1号大桥为例，对设计方法、设计要点及设计关键技术等几方面进行阐述，为类似项目提供借鉴和参考。