水庫深水高墩大跨連續剛構橋設計

黃毅，劉紅杰，胡嵐

（1.黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州450000；2.中南建筑設計院股份有限公司，湖北武漢430071）

水庫深水高墩大跨連續剛構橋設計

黃毅1，劉紅杰1，胡嵐2

（1.黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州450000；2.中南建筑設計院股份有限公司，湖北武漢430071）

四川大渡河大崗山水電站庫區S211省道淹沒復建公路田灣河大橋主梁跨徑為（78＋140＋78）m，主墩高為89.5m和70m。探討了橋梁上部結構（箱梁尺寸、預應力體系）和下部結構的設計，對全橋進行靜力分析。

四川大渡河；田灣河大橋；深水；高墩；大跨連續剛構橋；靜力分析

0 引言

隨著我國交通工程和水利工程的飛速發展，越來越多的跨大江、大河、水庫的橋梁不斷涌現，不可避免地會出現很多深水高墩連續剛構橋梁。深水高墩連續剛構橋由于具有高墩、深水、大跨的特點，其受力特征也比較獨特。筆者針對四川大渡河大崗山水電站庫區S211省道淹沒復建公路田灣河大橋，采用MIDAS CIVIL有限元軟件對其進行靜力分析，探討橋梁的結構尺寸、預應力體系和整體結構設計的合理性。

1 工程概況

田灣河大橋是大渡河大崗山水電站庫區S211省道淹沒復建公路交通線上的重要組成部分，是保障石棉縣至瀘定縣交通線貫通的重要節點。該橋位于田灣河和大渡河的交匯處，全橋橫跨田灣河，是秀麗大山中的一顆璀璨明珠。

田灣河大橋為預應力混凝土連續剛構，寬為8m，兩側設置0.5m寬的防撞護欄，全長為304.16m，橋跨布置為78m＋140m＋78m。該橋上部構造為單箱單室變截面箱型梁，主橋墩身上部采用雙肢變截面矩形實心墩，主墩高度為89.5 m和70 m。橋梁設計荷載按公路Ⅰ級進行設計，掛車－300進行校核，抗震設防烈度為Ⅷ度。橋型布置如圖1所示。

圖1 田灣河大橋橋型布置圖（單位：cm）Fig.1 Bridge type arrangement of Tianw an r iver b ridge（U nit：cm）

2 結構設計

2.1 上部結構設計

2.1.1 箱梁構造

在預應力混凝土橋梁中，隨著跨徑的增加，恒載占結構受力的比重越來越大［1］。所以，為了保證梁體有足夠的承載能力和應力幅度，本橋采用了高強度的C55混凝土，從而有效地減輕了橋梁自重，使得橋梁的安全性大大增強。

主橋140m跨箱梁采用單箱單室直腹板斷面，頂板寬度為8m，箱梁根部梁高為8.5m，跨中及邊跨合龍段梁高為3m，箱梁底板下緣按1.8次拋物線變化。箱梁0＃塊底板厚度為100 cm，從懸臂根部至懸澆段，各梁段底板厚按1.8次拋物線由96.3 cm變為32 cm，跨中合龍段及邊跨現澆段底板厚度為32 cm。在大樁號側邊跨現澆段設置直徑為60 cm的人洞。箱梁0＃塊頂板厚度為50cm，其余節段為25cm。箱梁0?！?＃塊的腹板厚度為70 cm，10＃塊的腹板厚度為70～50cm，其余梁段的腹板厚度為50cm。主梁懸臂長度為1.75m，翼緣外側厚為15 cm，根部厚為60cm，采用折線變化。邊跨現澆段處設置寬度為1.6m的端橫梁。端橫梁設置伸縮縫處的翼緣厚度統一加厚至100 cm。箱梁橫斷面如圖2所示。

圖2 箱梁橫斷面圖（單位：cm）Fig.2 Cross－sectional view of the box girder（Unit：cm）

按照各節段重量不宜相差太大、節段長度不宜太長、節段數不宜太多的原則，全梁共劃分了76個梁段。懸臂澆筑節段的長度有3.0m、3.5m和4.0m3種，0＃梁段長12m，合龍段的長度均為2.0m，邊跨現澆段長為7.0m。最大懸臂澆筑塊重1 300 kN。

2.1.2 箱梁預應力結構

主梁采用兩向預應力結構?？v向預應力分為頂板束、腹板束、底板鋼束3種，采用19φs15.2mm、15φs15.2mm的高強度低松弛預應力鋼絞線，其抗拉強度標準值fpk＝1 860MPa，鋼束張拉控制應力為1357.8MPa，其張拉控制力分別為361.2 t和285.1 t。豎向預應力采用JL32的高強精軋螺紋粗鋼筋，抗拉強度標準值（材料屈服點σ0.2）為930MPa，張拉控制應力為837MPa，張拉控制力為67.3 t。

2.2 下部結構設計

在水庫完成蓄水后，橋墩大部分浸泡在水中。通過對雙肢空心墩與實心墩進行多次比較分析，田灣河大橋橋墩采用鋼筋混凝土雙肢變截面矩形實心墩與主梁固結。實體墩不但施工方便，而且橋墩各個截面處水壓力平衡，給橋墩提供了較大的抗力，使橋墩在動水壓力作用下的安全系數較大。單肢橋墩順橋向尺寸為2.5m，橫橋向墩頂尺寸為6.5m，并以1∶100的斜率往下放坡；承臺采用矩形斷面，橫橋向長為14.6m，順橋向寬為12.0m，厚為4.0m；基礎采用6φ250 cm鉆孔灌注樁。

3＃橋臺采用樁接蓋梁型橋臺，樁基直徑為2.0m；0＃橋臺采用重力式橋臺，承臺橫橋向尺寸為11.5m，順橋向尺寸為7.8m，厚為2.5m，樁基直徑為1.4m。

3 靜力計算分析

3.1 邊界條件

本橋上部結構靜力分析采用邁達斯（Midas Civil）軟件，計算內容包括：成橋狀態下恒載、車道荷載、預應力、混凝土收縮徐變（按3 650 d計）、支座強迫位移（按1.0 cm計）、均勻溫度作用（升、降溫分別按＋29.2℃、－18.9℃計）、豎向梯度溫度作用（按T14／5.5℃取值［2］）等。按有關規范規定，對各種作用進行不同的組合，對結構的持久狀況承載能力極限狀態、持久狀況正常使用極限狀態、持久狀況和短暫狀況構件的應力等分別進行計算［3］。

3.2 主梁驗算

（1）使用階段正截面抗裂驗算。按全預應力構件設計的橋梁，在使用階段，正截面應存在拉應力［4］。該橋主梁結構驗算結果如圖3所示。從圖3可以看出，中墩墩頂處最大拉應力為－0.02MPa。由于墩頂處截面失真，可以不考慮該處拉應力影響。所以，在使用階段，主梁正截面積抗裂應力滿足規范要求。

圖3 田灣河大橋主梁正截面抗裂應力圖Fig.3 Crack resistance stress of Tianwan r iver b ridge girder normal section

（2）施工階段法向壓應力驗算。規范要求，在施工階段，主梁法向壓應力限值為19.88MPa。該橋主梁在施工階段的法向壓應力計算結果如圖4所示。由圖4可以看出，該橋主梁在施工階段的法向壓應力最大為14.59MPa。故滿足要求。

圖4 田灣河大橋主梁施工階段法向壓應力圖Fig.4 Normal stress of Tianwan r iver b ridge girder construction phase

（3）承載能力極限強度驗算。箱梁截面承載能力極限組合抗力與抗力對應內力計算結果如圖5所示。由圖5可以看出，該橋抗彎承載能力極限強度均滿足規范要求。

上部箱梁結構的持久狀況承載能力極限狀態的最不利位置在跨中處，結構內力為141 779.1 kN·m，結構抗力為143973.1 kN·m。上部箱梁結構的持久狀況正常使用極限狀態下，最小正應力為0.132 MPa（墩頂截面處應力失真），跨中正應力儲備為1.6 MPa，可有效預防連續剛構橋梁的跨中下撓［2］。上部箱梁結構持久狀況和短暫狀況構件的應力最不利位置在跨中附近，最大壓應力為16.9MPa，容許壓應力為17.8 MPa，留有足夠的壓應力儲備，施工階段法向壓應力限值為19.88MPa，施工階段法向壓應力為14.59MPa。因此，上部結構箱梁的計算均滿足規范要求。通過優化鋼束配置，使跨中下緣的壓應力儲備較大，可以有效預防跨中下撓問題。

3.3 橋墩驗算

在靜力工況下，并考慮橋梁受橫橋向和順橋向風力作用，計算橋墩軸力，其結果如表1所示。在荷載作用下，橋墩裂縫計算結果如表2所示。

圖5 箱梁截面承載能力極限組合抗力及抗力對應內力圖Fig.5 Box girder section carrying capacity lim itation combination resistance and corresponding internal force

表1 橋墩軸力表Tab.1 Axial force of pier

由表1可以看出，1＃橋墩墩頂內力為57787.4kN，截面抗力為252276.2kN，墩底內力為112 804.1 kN，截面抗力為350 373.0 kN；2＃橋墩的墩頂內力為43 145.2 kN，截面抗力為320 791.8 kN，墩底內力為102 866.1 kN，截面抗力為316 926.6 kN。所以，橋墩處于小偏心受壓構件。

由表2可知，橋墩墩頂截面的最小裂縫為0.096 mm，墩底截面的最小裂縫值為0.185 mm。因此，實體墩的抗力遠遠大于截面內力，可有效抵抗水庫中的動水壓力，并且橋墩的裂縫值富裕度較大，保證了橋墩在深水水庫中的安全。

4 結語

田灣河大橋在上部結構設計時，跨中正應力儲備為1.6MPa，可有效預防連續剛構橋梁的跨中下撓。在下部結構設計時，高橋墩采用了實體墩的形式，不僅便于施工，還使得橋墩在深水中同一截面處的水壓力均衡，并提供較大的抗力，使橋墩在動水壓力作用下有足夠的安全系數。

表2 橋墩裂縫表Tab.2 Crack of pier

［1］張繼堯，王昌將.懸臂澆筑預應力混凝土連續梁橋［M］.北京：人民交通出版社，2003：101.

［2］JTG D 60－2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［3］鮑衛剛，周泳濤.預應力混凝土梁式橋梁設計施工技術指南［M］.北京：人民交通出版社，2009：132－150.

［4］JTG D62－2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

[責任編輯 楊明慶]

U441

B

10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.002

2016-04-19

黃毅（1984－），男，湖北仙桃人，工程師，碩士研究生，主要從事道路橋梁的設計研究。