不对称高墩大跨连续刚构桥设计关键问题研究

罗 强

(湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008)

1 工程概况

舞阳河特大桥是贵州省思南至剑河高速公路上一座典型的高墩大跨连续刚构桥。桥位区受地形地貌、地质条件控制，在经过技术、经济、美观等多方面充分论证后，大桥主桥采用115 m+2×180 m+100 m(115 m)的预应力混凝土双肢薄壁墩连续刚构，其桥型总体布置见图1。

图1 桥型总体布置图(单位:cm)

2 高度不对称的三个主墩刚度匹配研究

舞阳河特大桥跨径达到180 m，最大墩高达120 m。由于地形、地质的原因，使得大桥三个主墩高度分别为100、120、60 m，最高墩是最矮墩高度的2倍。为了使三个主墩的刚度较好地匹配，需要分别设计三个主墩的截面尺寸。该桥三个主墩均采用等截面矩形双肢薄壁空心墩，所以三个主墩的刚度问题就归结为a、b、c、s四个参数的确定。见图2。

根据工程设计实际经验及施工方便的原则，初步拟定三个主墩的主要设计参数如表1。

按照拟定的三个主墩的设计参数建模，施工方案为常规的对称悬浇施工。由于大跨连续刚构跨中下挠等问题比较突出，初步拟定了1 500 kN的合龙反顶力。运用桥梁博士3.1版本计算，按照控制截面单元号的位置及最不利工况下截面受拉的性质(粗黑色区域为受拉的位置)绘成示意图3。

图2 矩形截面空心墩截面参数

表1 初步拟定的主墩参数表

图3 控制截面单元示意图

分析计算结果及图3可得:

1)墩柱控制截面的位置均为墩顶或墩底。

2)墩柱控制截面的最不利工况均为最大弯矩(或最小弯矩)下所对应的内力组合。

3)3号墩控制截面为195号单元，4号墩的控制截面为227号单元，5号墩的控制截面为303号单元。

4)3号墩195、226号单元，5号墩303号单元的抗力均小于结构内力，b值需要调整。

由力学常识可知，b值增大，则截面抗弯刚度增大，而所分配的弯矩也会随之增加，故通过定性分析不能确定b值。下面就以b值为400、420、300 cm的截面尺寸组合(组合二)作为3、4、5号主墩的起算截面进行计算，另外选择了6种截面尺寸组合与之进行对比计算，其主墩控制截面195、227、303号单元的强度验算结果如表2所示。

分析表2，可得:

1)从表2竖向看，随着截面尺寸增大，弯矩和抗力都增大，而e值也增大。这表明此类高墩结构，主墩截面的尺寸越大，就更容易满足结构受力的要求。

2)从表2横向看，当3号墩b值与4号墩b值相近时(3.8、4.0、4.2 m)，其控制截面的e值均明显小于4号墩。这说明此类高墩不对称结构，若边墩和中墩高度相近时，虽然中墩最高，却不控制设计，反而边墩的截面尺寸设计得要比中墩的截面尺寸大，才能满足受力要求。

3)5号墩墩高为65 m，与3、4号墩高度相差近1倍，故其截面尺寸设计得较小，即能获得与3、4号墩相近的刚度。

根据表2，单独列出7个组合下3个主墩控制截面的e值，得到表3。

表2 控制单元不同截面组合强度验算表

由表3不难看出，在既保证结构安全、又经济合理的原则下，组合5三个主墩的控制截面单元的e值分别为 10.9%、9.6%、8.7%，分布最均匀合理，说明三个主墩在该组合下，刚度分布最为合理，故组合5成为最后确定的截面尺寸。这样通过对比分析得出3、4、5号主墩最后的设计参数见表4。

表3 控制单元不同截面组合e值表

表4 最终确定的主墩参数表

3 不对称悬浇施工合龙顺序及受力研究

该桥在施工期间，3号墩边跨侧只能满足17 m长现浇段的支架施工，而该桥由于地形、地质的限制，需要25 m长的现浇段。为了解决施工中的实际困难，降低搭设超高墩支架施工的风险，笔者提出了增加两个不对称悬浇段(每段4 m)的方案(见图4)，不对称悬浇施工的关键工序如下:

1)工序一为按照常规分段对称悬浇主跨T的梁段至中跨合龙处。

2)工序二为边跨搭设支架施工至边跨合龙处。

3)工序三为不对称悬浇1号段，同时在3号墩T构右端配重1 700 kN。

4)工序四为在两个中跨合龙口施加反顶力1 500 kN。

5)工序五为跨中合龙。

6)工序六为不对称悬浇2号段。

7)工序七为边跨合龙。

该方案的一个主要特点是，在不对称悬浇1号段后即先合龙中跨，然后在不增加配重的前提下，利用两个中跨合龙后3、4、5号墩之间形成的一个双门式框架结构，来承受2号段的不对称悬臂施工所产生的不平衡弯矩。这样只需配重1 700 kN，降低了施工风险，同时降低了3号墩顶的负弯矩。经过对比计算分析，先合龙中跨的方案成为最终确定的施工方案。

图4 不对称悬浇施工工序

不对称悬浇施工对墩柱的控制截面弯矩峰值、T构墩顶负弯矩值及边跨顶、底板的负、正弯矩峰值均有不同程度影响，此外对主梁合龙口竖向位移也会产生影响。设计时需要结合实际应力情况进行验算和调整(增加)预应力配束，由于篇幅所限，此处不再赘述。

4 结语

舞阳河大桥为特大型山区桥梁，具备典型的不对称高墩大(多)跨特性。主桥拟定为115 m+2×180 m+100 m(115 m)连续刚构。三个主墩最高为125 m，最矮为60 m，差异极大。本桥开展了高度不对称(不等)的三个主墩刚度匹配研究，并对三个主墩截面的设计进行了研究。此外，该桥还进行了不对称悬浇施工的专项研究。该桥设计的特点可归纳为以下几点:

1)本桥为两跨180 m连续刚构，其主跨长度、主跨跨数在省内连续刚构设计中居于前列。

2)该桥在特大跨连续刚构设计中，在我省首次采用了等截面双肢薄壁墩设计，极大加快了施工进度，为以后同类型结构设计拓展了思路。

3)为了降低搭设高墩支架施工的风险，节约施工成本，该桥在我省高墩大跨连续刚构设计中，首次采用了增加不对称悬浇段施工的设计，受到了业主及施工单位的好评，也是对类似结构设计进行的一种有益的探索。

4)为了减少由于不对称悬浇施工所施加的配重重量，该桥进行了合龙工艺的专项研究，并最终采用了首先合龙中跨，再合龙边跨的设计。

［1］马保林，李子青.高墩大跨连续刚构桥［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］邬晓光，邵新鹏，万振江.刚构桥［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］JTG D60－2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

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［5］杨志军.连续刚构桥型在山区高速公路上的应用［J］.黑龙江交通科技，2010(8).

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