大跨径槽桥合建结构体系与荷载效应研究

熊治华，张爱军，刘玉擎

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.同济大学 土木工程学院，上海 200092）

1 研究背景

国内二十世纪七八十年代建设的渡槽，当前很多处于带病输水状态，有些甚至因安全问题需拆除重建［1］。随着南水北调西线正式启动、引汉济渭等特大型水利工程的逐步实施［2-3］，需建设一批渡槽等输水结构物。对于跨越路线长的输水工程，往往周边伴随有市政或国网道路，如何将公路运输与水利需求两者有机衔接、统筹规划，对于提高大型基础设施的使用率及社会经济价值显得尤为重要。德国2003年建成Elbe渡槽可供船舶通航［4］；我国正在建设的淠河总干渠渡槽主跨110 m，可供船舶通航，主梁采用钢桁梁拱组合体系［5］，淠河总干渠渡槽建成后将刷新世界通航渡槽记录；这些工程案例均成功采用了集交通运输和输水功能二合一的渡槽结构。从渡槽的荷载体量来看，当过水断面荷载集度达到100 kN/m时，其产生的静力荷载效应与单线城际铁路活载基本相当。在交通基础设施建设中，公路与铁路桥梁合建在欧洲已经发展近百年，国内公路和铁路合建桥梁近年来更有新的突破，典型工程如沪通长江大桥（主跨1092 m）和平潭海峡大桥（主跨532 m）等［6-7］。因此，从众多的公路和铁路合建桥梁工程的成功经验来看，无论从技术理论或工程实际上槽桥合建均具有可能性。本文将对大跨度槽桥合建的结构体系与荷载效应开展研究。

对于槽桥合建结构，渡槽增加了交通运输功能，而桥梁多了输水的核心功能。主梁内部的流动水给结构体系选择增加了复杂性，如内部需设置过水板，且需要大体积空间；主梁内部水重的荷载效应通常与结构自重恒载产生的效应相当，当输水流量非常大时，水重集度产生的效应甚至超过结构自重恒载效应。在槽桥建成运营后，偶然极端荷载如地震［8-10］、强风引发的稳定问题对结构产生的效应比一般桥梁更为显著［11］。目前的渡槽典型病害很多由于混凝土碳化、冻融以及矿物离子侵蚀造成［12-13］，由于槽内水常年流动、冲刷，采用混凝土结构时，材料耐久性尤为重要。

当跨度较小时，渡槽常用的结构形式包括简支钢筋混凝土槽身和预应力钢筋混凝土槽身［14］，随着预应力技术在桥梁结构中的飞速发展，近年来预应力钢筋混凝土槽身有取代混凝土槽身的趋势。在中等跨径范围内，公路桥梁中常见桥型为预应力混凝土连续刚构，其在渡槽中也有了工程应用，如贵州徐家湾渡槽［15］。对于大跨径公路桥梁，结构形式有较多选择，如：斜拉桥、拱桥、变截面钢箱梁等。针对具体场地控制因素如通航、地质条件等，结构方案比选侧重点不尽相同。在上述大跨度结构体系中，上承式拱结构在渡槽工程应用众多，如贵州龙场渡槽（主跨200 m）［11］、向家坝灌区渡槽［16］。在管线输水、输气结构中，斜拉索结构是一种常用结构形式［17-18］。在桥梁工程中，斜拉桥通过多索张拉形成超静定体系，自身刚度大，抗风及稳定性能优越，在特大跨径桥梁中属于竞争优势明显的桥型。基于国内渡槽已有的成熟建设经验，结合不同跨径范围内桥型的综合比选，重点对预应力混凝土刚构槽桥合建、上承式拱槽桥合建以及斜拉管桥合建进行结构体系分析。

2 大跨径槽桥合建典型结构体系分析

2.1 预应力混凝土连续梁及刚构槽桥合建方案概念设计 采用预应力混凝土的矩形和U型渡槽目前在水利行业已经有大量的工程应用。对于跨径在50~120 m范围内的槽桥合建结构，预应力混凝土箱梁具有可设置过水板、施工工艺成熟等特点，在此跨径范围内成为首选截面。通过后张拉法在箱室顶、底、腹板设置预应力，可满足槽桥合建的功能需求。与普通公路桥梁不同的是，在桥面顶板上，为了减小外界温度影响，保证冬季输水的稳定性［19］，需设置保温层。目前较为常用的是XPS板，其力学性能优异、成本低，不仅在水利行业有应用，在多年冻土道路工程中，也可采用XPS板进行保温，以减小路基下的冻土融化［20］。另外，在公路桥梁中，预应力或连续梁总体梁高的拟定主要是从结构受力与经济性出发来考虑。但在渡槽中，由于输水的需求，梁高的拟定必须考虑输水流量，同时要保留箱梁内部一定的空间以承受偶然的大流量，这就决定了槽桥合建的连续梁或连续刚构梁高拟定首先要满足输水需求，同时要兼顾结构安全与经济性的因素。当墩高较小时，宜优先采用连续梁结构，避免在温度力作用下低矮墩产生的过大自内力。

以下通过一座主跨100 m预应力混凝土刚构槽桥合建工程概念设计对其结构性能进行分析，总体布置如图1所示。槽桥总长210 m，跨径组成为55 m+100 m+55 m，纵坡8‰，设计流量20 m3/s，过水断面高2.5 m。上部结构如图2所示，采用单箱单室变截面预应力混凝土箱梁，桥面宽9.5m，预应力体系采用后张法，顶板、腹板、底板分别配置预应力钢束。跨中梁高4 m，0号块梁高7 m。腹板由跨中50 cm渐变至墩顶处80 cm，变化段在箱梁外侧过渡，过水板厚度为30 cm，顶板设置xps保温板。两主墩采用空心薄壁墩，高度分别为68 m和66 m。

图1 预应力混凝土刚构槽桥合建桥型图（单位：cm）

图2 预应力混凝土刚构槽桥合建结构典型横断面（单位：cm）

结构计算采用CSI Bridge软件建立空间杆系有限元模型，汽车荷载按公路桥梁通用规范双车道公路-Ⅰ级考虑，槽内水重按照均布荷载加载。因本文侧重于槽桥合建概念设计，荷载组合作用采用承载能力极限状态时的基本组合［21］，其中在设计流量下，水荷载集度按照分项系数1.4计入，当按照偶然加大流量计算时，超出设计流量部分按照偶然荷载计入分项系数0.75，下文均遵照此原则并简称为荷载组合。

如图3（a）所示，在上部结构中0#块恒载占总弯矩组合的72%，其余荷载效应排序从大到小为水重、交通活载、温度。这表明在100 m主跨中，预应力混凝土刚构槽桥合建结构的上部箱梁抗力将大部分用于抵抗主梁恒载产生的弯矩，交通活载对上部结构影响并不显著。从图3（b）可知，下部墩柱弯矩由恒载和水重共同控制，且水重占比更大，此外温度效应对于墩柱弯矩影响达24%，接近恒载产生的效应。

图3 预应力混凝土刚构槽桥合建结构主梁、墩底荷载产生的弯矩份额

因温度效应对预应力混凝土刚构槽桥墩柱有显著影响，进一步分析温度效应与下部墩高的关系，图4为墩高变化与其温度效应所占总组合效应的份额关系示意图。由图4可知，当墩高从68 m降到38 m时，温度效应对于矮墩受力极为不利，如本例中墩高为38 m时，温度荷载效应已经超过恒载和活载效应总和。对于这种情况，采用预应力混凝土连续梁方案显然更为合理。

图4 墩高变化与温度效应的关系示意图

2.2 上承式钢管混凝土拱槽桥合建方案概念设计 上承式拱桥在渡槽及公路和铁路合建桥梁中有广泛的应用，其施工方法与工艺非常成熟［22］。因此，对于120~250 m跨径范围的槽桥合建，推荐优先考虑上承式拱桥，其主拱截面形式可选用圆钢管混凝土截面、矩形钢管混凝土截面，在流量特别大的方案中，主拱肋可选用桁式钢管混凝土截面。拱上槽桥采用结构简支、桥面连续的方案，4~5孔可设置一道桥面伸缩缝，保证行车舒适性与桥面耐久性。本文以一座主跨160 m上承式钢管混凝土拱槽桥合建结构概念设计对其结构性能进行分析，见图5所示。

图5 上承式拱槽桥合建桥型图（单位：cm）

槽桥主跨长160 m，纵坡8‰，设计流量20 m3/s。上部结构采用双幅14 m预制箱梁，结构简支桥面连续。拱截面采用如图6所示哑铃型钢管混凝土截面，总高为3.0 m，单管管径为1.2 m，壁厚20 mm。矢高为32 m，拱曲线采用悬链线，拱脚采用固结体系。拱上立柱均采用钢管混凝土，管径为1.2 m，壁厚16 mm，立柱横撑与拱肋横撑均采用0.8 m钢管。在概念设计之初，为了优化主拱肋受力，采用等效单肢钢管混凝土拱肋对悬链线参数m从2.1~2.5进行了结构分析，图7反映了随着m从2.1增大到2.5，拱脚处弯矩值增大77%，L/4（L为拱桥计算跨径）处弯矩值增大40%，故选定m=2.1。箱梁内部过水断面分为左右两线，桥面宽度为11.5 m，公路荷载等级按双车道公路-I级考虑，箱梁其余细节构造与2.1节中类似。

图6 上承式拱槽桥合建结构典型横断面（单位：cm）

图7 拱轴线参数m与弯矩关系（单位：kN/m）

管中混凝土收缩、徐变采用降温方式施加。水集度、交通活载、恒载等作用产生的轴力与弯矩效应在关键截面处所占份额比例分别如图8（a）—图8（d）所示，从图中可见，拱脚处轴力与弯矩主要受结构恒载控制，而到了L/4（L为计算跨径）和拱顶处水集度和交通活载产生的合计效应已经超过了结构恒载。对于钢结构拱肋来说，由于水重和车辆荷载均属于活载，其在L/4拱到拱顶区域内，由活荷载产生的局部应力幅效应明显，在节点细节设计时更要注意疲劳问题。

图8 上承式拱槽桥合建荷载效应份额

在荷载组合作用下，拱脚、L/4拱、拱顶钢管和管内混凝土最大应力情况列于表1中，结果表明主拱肋强度储备充足。拱整体稳定性如图9所示，整体面内稳定系数为6.89，面外稳定系数为7.83，均大于公路拱桥规范限值4.0。在交通活载下，拱肋正负最大挠度出现在L/4附近，正负最大挠度总和为3L/10 000，远小于规范限值L/1000。在水集度荷载下，其挠度为0.022 m。总体来说，哑铃型主拱肋刚度大，强度、整体稳定均能满足槽桥合建需求。施工可采用缆索吊装，主拱合拢前空管截面较高，应对缆索吊装系统以及扣索索力进行全程监控与动态调整，以满足合拢线形要求，同时确保施工过程中拱肋稳定性，管内混凝土灌注宜遵循先下后上、对称灌注的原则。

表1 荷载组合作用下控制截面应力 （单位：MPa，+为受拉，-为受压）

图9 上承式拱槽桥整体失稳模态

2.3 斜拉管桥合建方案概念设计 在我国城市规模不断扩大、输水建筑物承担输水流量增大的背景下，相较于其他索结构，大跨径斜拉桥刚度更大［23］，非常适宜于大跨度管-桥合建。通过第1节介绍，公路和铁路合建桥在结构体系上与槽桥合建有相似之处。对于公路和铁路合建桥梁，斜拉桥是目前主要的桥型方案，钢桁梁由于自身刚度大，节段易于标准化等特点，是最为常用的主梁形式。对于输水管桥合建，其活载特点同样具有荷载集度重，变形控制严格等特点。因此，推荐钢桁梁截面斜拉桥为大跨度输水管-桥合建的推荐结构体系。需说明的是，管桥输水在截面形式上虽与渡槽不同，但体现在桥梁中的静力荷载效应却是一致的，故本文将斜拉管桥合建也统一至槽桥合建中，本文2.4节提出的输水结构效率系数也印证了该特点。

以一座跨径组成为168 m+276 m+168 m钢桁梁斜拉槽桥合建概念设计为例，来说明斜拉索结构体系在槽桥合建结构中的特点。桥型布置如图10所示，钢桁梁标准节段为12 m，桁高12.5 m。主桁如图11采用斜率为2∶1倾斜布置，上下弦杆尺寸为宽1.2 m高1.3 m。板厚18~24 mm。上层为公路交通桥面系，宽度为28.7 m；下层为输水管桥面系，宽度为18 m；上下层结构面板均采用正交异性钢桥面板。输水管径为DN3000，设计水流量为25 m3/s。输水桥面系结构主体由纵横梁体系构成，横梁高2 m，板厚16~24 mm，纵梁高1.5 m，腹板厚20 mm。正交异性钢桥面板板厚16 mm，U肋板厚10 mm。公路交通桥面设计为双向四车道，荷载等级为公路-Ⅰ级，两侧设置非机动车道。公路桥面系横梁高1.3~1.5 m，中纵梁高1.6 m，边纵梁高1.0 m。索塔采用钻石型，总高152 m；索塔-拉索锚固体系采用环向预应力。全桥采用半漂浮约束体系。

图10 斜拉管桥合建结构桥型图（单位：m）

图11 斜拉管桥合建典型横断面（单位：cm）

通过杆系有限元计算成桥状态后的内力，图12为斜拉槽桥在水荷载下的变形。斜拉槽桥在水荷载下的最大挠度为：23.5 cm，在交通活载作用下，正负挠度合计为14.6 cm，参考公路和铁路合建的芜湖长江大桥中跨L/550挠度控制，其变形满足要求。上、下弦杆的应力在荷载组合效应下如图13所示，可知上弦最大应力为144 MPa，下弦最大应力为138 MPa，均有较大的强度储备。

图12 水荷载下的主梁变形

图13 荷载组合效应下上、下弦杆应力（单位：MPa）

槽桥成桥索力如图14所示，在拉索及其锚固系统细节设计时，与钢管混凝土拱桥活载效应明显类似，需关注由于交通活载或管内水重变化引起的应力幅，避免过大的应力幅带来的疲劳开裂问题。

图14 槽桥合建拉索成桥索力示意图

2.4 输水结构效率系数 在钢-混组合桥梁中，作者提出了钢-混组合桥梁的活载结构效率系数LLSI［24］，在本文中，为了综合体现槽内水重、交通活载与结构总体刚度之间的相对关系，将组合桥梁活载结构效率系数概念引入到槽桥合建结构中。鉴于LLSI原本的物理含义，在槽桥合建中，将其定义为输水结构效率系数LLSIaq，其形式变换为式（1）：

式（2）中 Δ为水和交通活载共同引起的主跨最大位移，单位为m。式（3）中W为槽内水的集度，单位为kN/m。对于本节中讨论的三种典型大跨度槽桥合建结构，其输水结构效率系数列于表2。需要说明的是，为了统一参数便于比较，在表2的LLSIaq栏中交通活载均按照2车道公路I级考虑；LL⁃SIaq-W栏中均不计入交通活载，仅考虑水集度荷载，为了反映各种结构体系的输水结构效率系数，加入了通航渡槽数据［5］。从表2中可明显发现，随着跨径增大，槽桥合建输水结构效率系数明显下降，超过160 m后下降尤为明显。通航渡槽须考虑轮船在槽内航行的特殊需求，其主梁无论从用钢量还是刚度已远远超出普通公路钢桥需求，其一阶整体稳定系数达65.9［5］，表中输水结构效率系数更反映了其特殊性。通过输水结构效率系数分析可知，在结构确定状况下，水重与交通活载共同决定结构的响应，在特殊情况下，可以控制交通活载的通行，确保结构最大能力输水，提高输水结构效率系数，这对于大跨径槽桥合建结构来说非常有效；在一般情况下，输水和交通活载两种功能可同时发挥，具备较强的灵活性。与此同时，输水结构效率系数不仅可用于公路交通活载的评价，也适用于通航渡槽的结构性能评价。

表2 槽桥合建结构体系的输水结构效率系数 （单位：kN/m2）

3 大跨径渡槽的结构重要性划分原则与推荐的结构体系

槽桥合建结构第一功能定位为输水，同时兼顾交通运输。因此，在特殊情况下，如加大流量时可以采用交通管制的措施（双向通行变为单向通行）限制交通活载以保证总体结构安全运行。目前渡槽结构重要性是依据水流量的大小而定，然而大跨径槽桥合建结构由于跨径增大，恒载、交通活载、槽内水共同控制其结构安全。特别是在地震、风荷载等特殊偶然极端荷载作用下，跨径大小对于结构总体力学响应起到决定性作用。因此，在概念设计时不仅要考虑水流量的影响，也要考虑跨径的影响。参照公路大跨径桥梁结构重要性系数，当跨径大于150 m时，槽桥合建结构重要性建议按照公路A类特殊桥梁考虑，即结构重要性等级为最高，抗震概念设计时采用基于性能的抗震设计方法。对于跨径超过150 m的槽桥合建结构，其在施工阶段的稳定性推荐参考公路桥梁相关规范进行验算。当槽桥合建结构主跨跨径超过120 m时，鉴于合建结构投资大、社会影响显著，建议主体结构设计使用年限按照100年考虑，水利行业规范验算时按照不低于2级建筑物考虑。

通过前述分析，槽桥合建结构主跨在50~120 m跨径范围以内时，建议采用预应力混凝土连续梁或刚构；当跨径范围在120~250 m时，推荐采用钢管混凝土拱槽桥合建结构体系；当跨径大于250 m时推荐采用斜拉管桥合建。大跨径槽桥合建的主跨跨径与输水结构效率系数LLSIaq关系如图15所示。

图15 槽桥合建推荐的结构体系与输水结构效率系数关系示意

4 槽桥合建结构内部的流-固耦合效应分析方法

槽桥合建结构中，槽中水在极端荷载如地震作用下，产生的晃动和内壁冲击会对结构的局部及整体都带来很大的附加响应，特别是当水的流量或跨径很大时，地震效应使槽桥受损风险大大增加。因此，在强震区大跨径槽桥合建结构设计时，需重点考虑内部的流-固耦合效应及抗震措施。当前，槽内水的流-固耦合效应有两种主要的计算方法：

（1）采用流体力学或离散单元方法单独模拟水，槽身部分采用固体力学方法模拟为壳或实体单元［25］，这种计算方法可以精确描述槽身与水接触部分承受的荷载效应，特别是对混凝土结构承受瞬时冲击荷载产生的拉应力，对于潜在的开裂区域可以较为准确的预测；但与此同时，由于渡槽结构属于大型土木类结构，其几何尺寸大，大规模的流-固耦合计算加之固体结构部分的弹塑性分析，这对计算设备要求很高，需要专业的服务器来运算；

（2）采用附加质量-弹簧系统来模拟流-固耦合效应，典型模型如Housner模型［26］，这种方法是将水体理想的看做两部分组成，一部分为产生冲击效应的水体，另一部分为产生晃动效应的水体，两种水体的荷载效应构成了流-固耦合效应。这种方法具有物理意义简单，易于土木结构杆系分析的优点，主要可计算流-固耦合效应对渡槽结构总体的力学响应的影响。显然，这种方法对于槽身局部的受力分析有局限性。

鉴于以上两种分析方法的各自特点，在槽桥合建地震效应分析中，总体结构设计可采用附加质量-弹簧系统计算，槽身局部冲击效应可采用流体力学方法模拟。

5 结论

本文对大跨径槽桥合建结构进行了系统分析和参数化计算，对槽桥合建结构体系的关键控制荷载效应进行了讨论，并对成桥状态进行了评估，阐述了槽桥合建结构的特点及控制性因素。主要结论如下：

（1）当跨径范围在50~120 m时，推荐采用预应力混凝土刚构或连续梁槽桥合建结构。墩高较矮时宜优先选择连续梁，当主墩高度或者相对刚度变化较大时，预应力混凝土刚构中温度效应不利于矮墩受力；恒载对于预应力刚构上部设计是控制荷载，因要保证水利合理的过水断面，箱梁梁高设计方法与公路桥梁有显著差别，优化上部结构自重对结构设计意义重大。

（2）上承式拱槽桥合建结构推荐跨径为120~250 m；根据输水流量大小，拱肋可采用哑铃型或桁式钢管混凝土，经过优化的拱轴线形可满足合建结构的性能需求；上部槽身推荐采用简支预应力混凝土箱梁。当跨径超过250 m时，输水管桥可采用斜拉索结构与公路桥合建，钢桁梁作为主梁具有刚度大，下层布置输水桥面，上层布置公路交通桥面。采用钢结构主梁的大跨径槽桥合建结构，由于水荷载和交通活载叠加，应力幅比普通公路桥梁大，在节点等细节疲劳设计时应充分考虑。

（3）在槽桥合建结构方案设计时，可利用输水结构效率系数对概念设计进行比选优化，输水结构效率系数宏观上反映了槽桥合建结构的刚度。同时，基于输水流量和槽桥跨径的综合考虑，本文提出了大跨度槽桥合建的结构重要性及划分标准，在结构稳定性分析、抗震计算中，推荐采用综合性的重要性系数。槽桥合建结构的功能定位为输水为主、兼顾交通。基于这一原则，在一般正常情况下，输水与交通功能均可同时运行；在特殊情况下，可采取限制交通，保障输水的方案，保证槽桥合建结构安全。