流田水大桥双肢薄壁扭转墩形式变更及优化

谭 阳,白 峰,段坤辰,史茜茜

（中交中南工程局有限公司,湖南 长沙 410000）

0 引言

在山区高速公路建设过程中，常常因地形、河流等原因，在一些特殊环境下需设置变形墩或者异形组合墩。该文结合流田水大桥工程桥梁结构方案优化设计，从施工工期、施工环境条件和施工投资成本等方面，比选了双肢薄壁扭转墩和空心薄壁墩方案。

1 工程背景

1.1 工程概况

龙寻高速工程作为粤赣两省新的省际通道，全线位于河源市龙川县上坪镇境内，路线全长9.419 km。采用双向四车道高速公路标准，桥梁宽度采用（12.5×2）m。

流田水大桥是该高速工程的重要组成部分，路线位于流田水陂头潭水电站上游50～250 m 范围内，与河流方向斜交，角度为144.77°～157.69°，在桥梁影响范围河段，右岸有部分农田，左岸基本以山体居多。该工程所在河段非镇圩段，现状无堤防，所在位置大多为自然岸坡，河岸相对稳定，规划防护标准为10年一遇。

1.2 桥梁下部结构原设计方案

流田水大桥桥跨布置为16×40 m，桥梁上部结构采用先简支后连续预应力T 梁。下部结构桥墩主要采用柱式墩，水下混凝土灌注桩，承台为矩形承台。大桥桥墩中左幅2～6 号墩、右幅2～5 号墩采用薄壁墩，薄壁墩身与盖梁呈54.77°～67.69°夹角，墩身高43.7～53.7 m，其余桥墩采用双柱式墩。大桥路线方向与河流方向呈30°～40°夹角，为保证防洪阻水率满足要求，原方案其墩身下部为双肢薄壁墩；因上部结构为预制T 梁正交，盖梁与路线方向为90°夹角；墩身下部双肢薄壁轴线与盖梁轴线呈54.77°～67.69°夹角，因此桥墩为扭转变形墩。

原设计方案墩身下部双肢薄壁墩，截面总长6.8 m，截面总宽2.6 m，薄壁板厚0.8 m，肢净距为1 m。双肢薄壁墩隔板高差为15 m，墩身上部设置总高12 m 的变形段与盖梁进行衔接，变形段共分为三个部分，下部为4 m 高双肢薄壁实心段（截面2.6×6.8 m），中部为6 m 高“X”形实心段，上部为2 m 高顺盖梁矩形实心段（截面2.6×5.5 m）。桥墩立体及平面图如图1 所示。

图1 双肢薄壁扭转墩结构图

2 设计变更的必要性

双肢薄壁扭转变形墩减小洪水阻水率，可以满足水利管理部门要求，但存在以下施工缺点：

2.1 模板多变、施工困难

原设计双肢薄壁扭转墩施工工序较多，墩身多种断面转化，变形墩X 截面段模板存在不规则、异形等特点，且9 个墩中平面夹角多达7 种角度，模板加工要求高，拼装难度大，施工困难。

2.2 支撑系统设置困难

截面段支撑平台悬挑大、平台下需设置多重防护系统，X 截面支撑平台设置在6×2.6 m 实心段上，平台平面达9×8 m，需外挑2.5 m 以上，悬挑上部浇筑混凝土高度达8 m；X 截面段支撑平台具有大悬挑、重荷载的特点。

2.3 施工安全风险高、工期长

墩身下部为双肢薄壁墩，其变形对不均匀荷载敏感性较大。X截面段为异形，模板拼装、钢筋绑扎周期长，经测算平均一个墩的施工周期达到140 天左右，成本投入巨大，工期难以保证，高空施工风险大。

因此，流田水大桥下部结构优化设计变更尤为重要，应尽量减少河道占用时间，确保整体施工安全及满足进度要求，通过变更实现项目效益最大化。

3 桥梁下部结构变更方案及影响分析

3.1 双肢薄壁墩变更为空心薄壁墩

结合防洪评价报告有关要求，将流田水大桥左幅2～6号，右幅2～5号双肢薄壁墩调整为空心薄壁墩。如图2所示。

图2 等截面空心薄壁墩设计示意图

其中除左右幅4 号墩承台轴线基本顺水流布设外，其余桥墩承台按正交布设；4 号墩承台底标高提升至设计洪水位之上，对于被抬高的4 号墩承台采用四角倒圆弧设计，减少泄洪期间漂流物滞留、挂住的风险，将原土质缓边坡调整为较陡的混凝土挡墙；加强了高桩承台桩基的抗撞击设计，在配筋满足强度、裂缝验算的前提下，增设永久性钢护筒，对桩身进行保护；桥墩轴线调整至与水流交角小于5°，满足阻水率小于8%的规范要求[1]。

3.2 两种方案进度、经济性对比

原设计方案与变更方案的进度、经济性部分对比如表1 所示。

表1 涉水区域桥梁下部结构方案比较

两方案均能满足设计要求，经比较，变更后方案具有的优势为：①截面单一，组合模板自重较轻，采用小吨位塔吊即可满足施工需要，同时模板周转循环效率提高，减少拼接截面及次数，有利整体施工进度控制，施工工期减少137 d，施工平均工效比翻模高50%，确保满足进度要求；②结合施工环境，降低施工难度及高空施工风险，模板自带施工防护平台降低施工安全风险，确保施工安全；③工程量较省，建安费投资较原方案节省380.6 万元；④施工总成本降低544.1 万元，施工利润扭亏为盈；⑤墩柱整体外观、养护及线性质量容易保证。

3.3 结构稳定性部分对比

根据实际情况，通过建立结构模型对该桥左幅1～2 跨（双柱墩，高20 m）、右幅6～8 跨（双柱墩，高34 m）、右幅3～5 跨（双肢薄壁扭转变形墩及空心薄壁墩，高54 m）进行整体模型稳定性计算。荷载包括恒载、汽车荷载、风荷载、流水压力。

（1）左幅1～2 跨—双柱墩位移分析。汽车荷载考虑偏载，伸缩缝处支座为滑动支座，其横向位移分析如图3 所示。

图3 左幅1～2 跨—双柱墩横向位移分析图

中墩墩顶横桥向位移0.011 m，伸缩缝梁端横桥向位移0.018 m。

（2）右幅6～8 跨—双柱墩位移分析。汽车荷载考虑偏载，伸缩缝处支座为滑动支座，其横向位移分析如图4 所示。

图4 右幅6～8 跨—双柱墩横向位移分析图

中墩墩顶横桥向位移0.026 m，伸缩缝梁端横桥向位移0.033 m。

（3）右幅3～5 跨—双肢薄壁扭转墩位移分析。汽车荷载考虑偏载，伸缩缝处支座为滑动支座，其横向位移分析如图5 所示。

图5 右幅3～5 跨—双肢薄壁扭转墩横向位移分析图

墩顶横桥向位移：边墩0.044 m、中墩0.114 m，伸缩缝梁端横桥向位移0.127 m。

（4）右幅3～5 跨—空心薄壁墩位移分析。汽车荷载考虑偏载，伸缩缝处支座为滑动支座，其横向位移分析如图6 所示。

图6 右幅3～5 跨—空心薄壁墩横向位移分析图

墩顶横桥向位移：边墩0.005 m、中墩0.025 m，伸缩缝梁端横桥向位移0.033 m。

（5）综合分析。通过结构模型验算，双肢薄壁扭转变形墩跨与相邻跨间横向位移量差值较大（约0.09 m），对行车安全和舒适性有较大的影响；等截面空心薄壁墩边墩顶与桥面梁间横向位移量达0.08 m，需对支座与T梁、T 梁与挡块间进行特殊的构造设计，结构稳定性更优。如表2 所示。

表2 结构位移对比表

3.4 设计变更的影响分析

桥梁结构的优化设计变更对整体工程具有直接影响，其中主要体现在桥梁结构稳定性、项目施工组织设计、防洪评价、项目成本和项目投资5 个方面。

3.4.1 桥梁结构稳定性

空心墩相较于实心墩柔性较好，当桥梁上部结构发生位移，或者在墩梁固结处的横向力会对墩底处产生一个弯矩，而柔性墩会缓解这种压力；空心墩能够有效减少温度、混凝土徐变、墩位移等引起的次内力；并且相较于实心墩，材料相同的情况下，空心结构使它的压杆稳定性大大提高[2]，极大降低了受压失稳的可能，行车安全性和舒适性更高。

3.4.2 项目施工组织设计

从项目实际进度情况看，原设计方案可能导致项目工期极大延缓，不能保证项目的顺利推进。方案变更后，施工方案更灵活，可以确保工程顺利完成项目施工。

3.4.3 防洪评价

通过阻水和壅水分析计算成果，该项目在P=10%频率洪水条件下，桥墩最大阻水比为7.39%，最大壅水高度为0.01 m，影响河长350 m，壅水高度较小，对河道行洪影响有限，不会影响河道原有的过洪能力；项目建设占用的河道面积较小，项目建成后对河床的冲刷淤积影响在经过河道一般时间的运行后会达到冲淤平衡。工程建设过程对河流的水动力、河道的河势稳定基本无影响；并且项目采用高立交形式跨过河道两岸，桥梁建设也基本不会对防汛抢险产生较大影响。

3.4.4 项目成本

变更后空心薄壁墩方案相比原设计方案在机械投入成本、模板投入成本、材料投入及劳务成本分别缩减101.3 万元、61.4 万元、283.4 万元以及98 万元，降低了67.3%、36.5%、36.9%和43.5%，总成本减少544.1 万元，减幅达到41.5%，工程成本显著减少。

3.4.5 项目投资

变更后空心薄壁墩方案相比原设计方案在建安费减少380.6 万元，减幅达到31.3%，业主对方案优化的结果较为满意，同时项目部也获得了业主的赞许。

4 结论

流田水大桥跨防洪河道双肢薄壁扭转墩方案不仅提前高质量竣工，从中获得较好的经济效益，同时为业主节省了建造成本。

该文从施工工期、施工环境条件和施工投资成本等方面，比选了双肢薄壁扭转墩和空心薄壁墩方案，通过对结构受力、截面特性、经济性、施工难易性等方面进行综合验算对比分析，结果表明等截面薄壁墩具有更好的结构受力、更高的稳定性系数，结合孔跨组合、承台形状调整、桩基布置调整、泄洪断面补偿等辅助优化措施，能够较好地解决跨防洪河道桥墩轴线与水流交角、防洪阻水率等难题，具有较好的安全性、经济性、适用性。