山区跨河异形短边跨连续刚构桥的设计与创新

姜兴洪

（四川公路工程咨询监理有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

俞家村一组大桥是四川省2021-2023 年农村铁索桥改公路桥专项推进方案重点工程，大桥位于广元市朝天区朝天镇，跨越嘉陵江，项目起点接S410 线，终点接三滩村既有道路。该项目的建设改善了三滩村村民通过铁索桥和渡口出行不便的现状，为促进区域经济发展和完善交通网络起着重要作用。

该项目按照引道四级公路（Ⅱ类）标准建设，桥梁按照三级公路标准建设。本文对山区跨河异形短边跨连续刚构桥的设计与创新进行介绍。

1 异形刚构桥设计

1.1 技术标准

桥梁设计荷载等级为公路-I 级；设计行车速度为30km/h；设计洪水频率为1/100；通航等级为Ⅶ级通航（双向通航孔通航净宽32m，通航净高4.5m）；抗震设防烈度为7度；地震动峰值加速度为0.15g；桥梁标准宽度为8m，两个边跨桥梁宽度从8m过渡到20m，双向两车道。

1.2 上部结构设计

俞家村一组大桥为三跨预应力混凝土连续刚构桥[1]，跨径布置为（35+75+35）m，边中跨比为0.467。桥梁立面和平面布置如图1、图2 所示，横断面图如图3 所示。

图1 俞家村一组大桥立面布置（单位：m）

图2 1/2俞家村一组大桥平面图（单位：cm）

图3 俞家村一组大桥横断面图（单位：cm）

箱梁纵桥向为全预应力混凝土结构，主梁零号块长度为9.00m，主跨悬臂施工梁段数及梁段长度从零号梁段根部至跨中分别为4×3.0m、5×4.0m，边跨支架现浇施工梁段数及梁段长度从零号梁段根部至边跨端头分别为3×6.0m、1×12.46m。主跨采用单箱单室箱形直腹板截面，边跨1′现浇块和2′现浇块采用单箱单室箱形截面，箱梁顶板宽8m，底板宽5m，外翼缘悬臂长1.5m，3′现浇块采用单箱单室箱形截面，箱梁顶板宽8~8.45m，底板宽5~5.42m，外翼缘悬臂长1.5~1.52m，4′现浇块采用单箱单室过渡到单箱三室箱形截面，箱梁顶板宽8.45~20.0m，底板宽5.42~15.3m，外翼缘悬臂长1.52~2.03m。箱梁顶板设置成2%双向横坡。箱梁跨中及边跨支架现浇段梁高2.4m（箱梁高度均以箱梁截面中心高度为准），桥墩与箱梁相接的根部断面及墩顶零号梁段高为4.5m。从箱梁根部至跨中合拢段，箱梁梁高以二次抛物线变化。箱梁腹板在墩顶范围内厚70cm，腹板从根部到跨中及边跨现浇段按70cm、50cm2种厚度设置。箱梁底板厚除零号梁段为80cm 外，其余各梁段底板从箱梁零号块端部截面的80cm 厚按二次抛物线渐变至跨中合拢段截面的30cm。主桥在两个主墩墩顶各设两道2.00m厚的横隔板。

主桥边跨采用支架分段现浇施工，主跨采用悬臂挂篮施工，施工步骤如图4 所示。悬臂浇注梁段最大控制重量75.5t，挂篮设计自重以32t 控制。全桥共设1个合拢龙段，中跨合拢段长度为2.00m。

图4 施工步骤图

主梁设置纵向预应力钢束，未设置横桥向预应力钢束和竖桥向预应力钢束。顶板束、腹板束和底板束均采用15~15.2规格，预应力总体布置如图5所示。

图5 预应力钢束总体布置图

1.3 下部结构设计

主墩采用钢筋混凝土空心薄壁墩，钻孔灌注桩承台基础。薄壁墩厚2.00m，宽5m，壁厚0.5m，采用翻模法或滑模法施工。承台厚2.7m，长6.5m，宽6.5m，采用钢板桩围堰施工。每个桥墩桩基为4根嵌岩桩，直径为1.5m，采用钢护筒钻孔灌注施工，桩基间距纵向4m。两岸桥台均采用桩柱式桥台，每个桥台设置4 根桩基，桩基直径1.5m。0号桥台和3号桥台均采用嵌岩桩设计。

桥梁与桥台之间设置聚氨酯填充式无缝伸缩缝PUTF-80 型号，桥梁边跨采用圆形滑板橡胶支座（GBZYH550×153(CR)）。

2 设计理念

项目所在地为典型依山傍水的山区沿河地形，跨径布置时受既有交通线路和保护区限制，既有交通为两岸分别布置既有省道和运营宝成铁路线，限制了桥梁总长不超过147m；嘉陵江河中为蜀道剑门风景名胜区核心区，核心区内不能设墩，确定主跨不小于75m。

桥型选择时，悬索桥、斜拉桥既不具有经济性，也无施工条件，现场无大型吊车作业条件，该区段河流枯水季水位较低，有通航规划但无通航运输条件，因此悬索桥和斜拉桥方案不可行；其次考虑拱桥，嘉陵江在该河段河道较窄，洪水水位较高，项目工期要求桥梁需在一个枯水期内施工完成，现场无扣塔体系布置条件，且钢管桩支架施工风险较高，因此拱桥方案不可行；最后考虑梁桥，主跨75m 采用钢箱梁时方案可行，但75m 钢箱梁无运输和吊装条件；采用变高连续梁时，由于边中跨比只有0.467，施工期由于结构非对称，施工风险极大，因此考虑墩梁固结，最终桥型和跨径布置确定了小边中跨比的（35+75+35）m连续刚构，边中跨比为0.467。

为平衡主跨自重和将路基上无条件布置的平交口移动到桥上，边跨采用变宽变箱“大变宽喇叭形”箱梁，由单箱单室变为单箱三室，桥面宽度由8m 增加至20m，在变箱处设置横隔板提高梁体抗扭刚度。

由于边中跨比小于0.5，因此边跨无法设置合拢段，全桥仅有一个合拢段，即跨中合拢段。边跨为“大变宽喇叭形”箱梁，挂篮施工困难较大，充分利用边跨地形为缓坡的优势，采用大钢管桩支架体系进行分段支架现浇，为避免主跨挂篮悬浇不平衡倾覆并避免过大配重，施工考虑边跨分段支架现浇先于主跨悬浇。

桥上护栏采用混凝土矮基座+钢管组合护栏形式，为SB 级护栏；20m 长伸缩缝采用聚氨酯填充式无缝伸缩缝PUTF-80型，减少后期养护成本。

3 异形结构计算分析

3.1 建立计算模型

相比于常规设计的连续刚构桥而言，异形非对称结构、非对称施工、变宽变箱的连续刚构桥预应力配置与计算分析是影响工程成败与否的关键因素。因此，该项目采用Midas Civil2021 软件建立空间杆系有限元模型进行全桥静力分析，模型离散为84 个单元，95 个节点，考虑施工顺序，建立41 个施工阶段。空间杆系模型如图6所示。

图6 桥梁有限元模型

3.2 计算荷载取值

（1）桥梁结构安全等级按一级考虑，结构重要性系数为1.1；

（2）悬臂施工挂篮重量按32t考虑；

（3）中跨合龙考虑600kN顶推力；

（4）汽车荷载按公路-I级的加载；

（5）汽车制动力按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2014）采用2车道计算[2]；

（6）设计参数：混凝土重力密度γ=26.0kN/m3，弹性模量为Ec=3.45×104MPa；沥青混凝土重力密度γ=24kN/m3；

（7）混凝土结构的收缩徐变按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）取值计算[3]；

（8）预应力弹性模量Ep=1.95×105MPa，松驰率ρ=0.035，松驰系数ξ=0.3；

（9）墩台不均匀沉降值取1cm；

（10）温度作用：根据气象资料，全桥结构体系温差取+25℃、-20℃，温度梯度作用取值为：

正温度梯度：14℃，5.5℃，0℃；

负温度梯度：-7.0℃，-2.75℃，0℃。

3.3 主要计算结果

3.3.1 承载能力极限状态验算

箱梁正截面抗弯承载力验算结果和抗剪承载力验算结果如表1和表2所示。

表1 抗弯承载力验算结果

表2 抗剪承载力验算结果

由表1和表2验算结果可知，主梁强度验算满足要求。

3.3.2 正常使用极限状态

正常使用极限状态下，正截面抗裂验算结果如表3所示，斜截面抗裂验算结果如表4所示。

表3 频遇组合下正应力结果（单位：MPa）

表4 频遇组合下主应力结果（单位：MPa）

由表3和表4结果可知，正应力和主应力均满足规范要求。

梁体长期挠度增长系数为1.425，荷载短期效应组合作用下，梁体长期挠度值消除结构自重产生的长期挠度值考虑增长系数后为16.1mm×1.425=22.9mm＜75000/600=125mm，箱梁刚度满足规范要求。

3.3.3 持久状况和短暂状况

对于持久状况构件应力，标准组合下箱梁法向压应力最大值为11.2MPa＜16.2MPa，最大主压应力11.1MPa＜19.44MPa，最大预应力钢束拉应力1204 MPa＜1209MPa，满足规范要求。对于短暂状况构件应力，最大压应力10.5MPa<18.144MPa，满足规范要求。

4 结束语

俞家村一组大桥在项目受地形地势、投资规模、行洪通航、风景名胜区和既有交通状况等多方面因素影响，导致路线选线条件受限的情况下，经过设计创新，最终选择跨径布置为（35+75+35）m 的非对称施工变宽变箱异形连续刚构桥，经有限元计算结果表明，结构受力合理，满足规范的相关要求，实现了桥梁经济性、环境协调性、施工方便性。该桥预计2023 年年底前合龙，可为类似桥梁设计提供参考。