梅溪湖大桥技术特点

2013-02-10余永强

交通科技 2013年3期

关键词：墩底主墩墩身

万送余永强

（中国市政工程西北设计研究院有限公司武汉 430056）

1 工程概况

为打造长株潭“两型社会”综合配套改革试验重要载体，建设长沙大河西未来的城市中心，长沙市决定对梅溪湖片区进行整体开发建设。雷锋西大道梅溪湖大桥位于梅溪湖片区东端，跨越梅溪湖，是片区重点建设项目和景观节点之一。

大桥全长432m，双向6车道，桥宽29.5m，桥型布置为：3×30m（等高度预应力混凝土连续梁桥）＋（73m＋106m＋73m）＋3×30m（等高度预应力混凝土连续梁桥）。

主桥为73m＋106m＋73m变高度连续刚构，主墩高7.96m，相当于主跨跨径的1／13.25（大跨径连续刚构一般应大于1／10），主桥属矮墩连续刚构［1］。为使主墩及基础在最不利荷载作用下具有良好的结构安全性和行车舒适性，采取了墩身变厚度、墩身切缝、预顶推梁体、墩身设竖向预应力等技术措施，有效地改善了主墩及基础受力状态，使结构具有一定的安全储备，并满足景观需求。

根据总体景观要求，在箱梁腹板处设置0.5 m×1m的大倒角，竖向预应力采用U形布置［2］，每根预应力束贯穿底板和两侧腹板，同时兼顾考虑竖向预应力和底板横向受力问题［3］。

2 主要技术标准

（1）道路等级。城市主干路。

（2）设计车速。50km／h。

（3）设计荷载。城－A级。

（4）设计基准期。100年。

（5）结构设计安全等级。一级。

（6）抗震设防标准。地震基本烈度VI度，地震动峰值加速度0.05g，抗震设防等级7级。

3 主桥结构设计

3.1 上部结构

主桥全宽29.5m，左右分幅布置，每幅桥宽14.64m，2幅桥间设2cm宽通缝。

主梁在4，5号墩处与主墩固结，梁体横断面为单箱单室截面（见图1），中支点处梁高6.65m，跨中和边支点处梁高2.65m，梁底采用复合曲线过渡。

图1 梅溪湖大桥主桥横断面设计图（单位：cm）

主梁采用C55混凝土，纵、横、竖三向预应力束体系。其中竖向预应力布置在箱梁腹板及底板上，形状成U形，采用单股无粘结预应力束。

梁体采用节段悬臂浇注施工：0号节段长12 m，1～4号节段长3.5m，5～12号节段长4m。边跨现浇段长18.9m，合龙段长2m。边跨现浇段采用支架现浇，0号节段采用吊架施工，其余节段采用挂篮对称悬浇施工。

3.2 下部结构及基础

主桥4，5号墩与主梁固接，主墩厚度采用上大下小按10∶1斜率线性变化，再通过圆弧与主梁顺接，墩高7.97m，墩底平面尺寸7.64m×2.14m，墩顶平面尺寸7.64m×6.62m，墩身中间设置2cm横向通缝，形成双壁墩。

主墩承台为钢筋混凝土结构，厚3m，每个桥墩承台下设6根直径1.8m钻孔灌注桩，桩底进入中风化板岩。

4 矮墩连续刚构的技术措施

主桥为矮墩连续刚构，由于主墩较矮，刚度较大，成桥后在收缩、徐变和降温作用下，主墩内产生较大弯矩，为改善主墩不利受力状态，采取了墩身变厚度、墩身切缝、中跨合龙前对顶梁体、墩身设竖向预应力等技术措施，使结构具有一定的安全储备。

4.1 墩身采用变厚度

配合景观设计，主墩采用上大下小纵向变厚度桥墩形式。对比等厚度桥墩设计，采用变厚度桥墩布置可减小桥墩刚度，减小墩身弯矩，在满足设计规范条件下，满足桥梁景观需求。外、内肢墩底内力及应力见表1、表2。

表1 外肢墩底内力及应力

表2 内肢墩底内力及应力

由表1、表2可见，在最不利荷载组合下，当主墩由等截面改成上大下小变截面时，外肢墩底截面弯矩由26 458.2kN·m降低至16 712.4 kN·m，降低36.8%，桥墩采用变截面可在满足结构安全条件下，满足桥梁景观需求。

4.2 墩身切缝

受地形等建设条件控制，主墩墩高无法进一步增高，为减少桥墩刚度，可采用双薄壁墩形式，但本桥受总体景观要求，主墩外型为整体形式，为此，在桥墩内设置竖向通缝，类似于双薄壁墩，可有效改善桥墩受力。双壁与整体桥墩内力对比见表3。

表3 双壁与整体桥墩内力对比

由表3可见，当主墩截面切缝改双壁后，最不利荷载组合下，墩底截面弯矩由37 935.5kN·m降低至16 712.4kN·m，降低56.0%，可有效改善桥墩受力状况。

4.3 中跨合龙前对顶梁体

针对矮墩连续刚构主墩受力特点，在连续刚构桥中跨合龙前，由中跨梁体施加向边跨方向的水平顶力，可部分抵消由结构自重、混凝土收缩、徐变及降温温差引起的主墩水平位移和内力，使结构在施工和使用阶段均处于安全合理的范围。

主桥由于桥墩高度小，桥墩的抗推刚度大，相对而言顶推力比较大。在水平顶推力作用下的施工阶段，墩底会产生较大弯矩，甚至可能使墩底靠中跨侧出现拉应力，使墩底截面开裂。因此，首先要保证对顶施工时桥梁的安全。其次，应重点分析顶推力对于使用阶段桥墩结构的安全性影响，确保结构的安全性。

分析不施加顶推力和分别施加4 000，5 000和6 000kN时内、外肢墩底截面在施工阶段、成桥状态和运营阶段的应力状况。顶推分析结果见表4。

表4 顶推力与相应桥墩应力

由表4可见，当不施加顶推力时，成桥状态外肢墩底边跨侧出现1.6MPa拉应力，在运营阶段混凝土最大压应力达12.7MPa，最大拉应力达6.9MPa，因此，需要采取一定技术措施以改善桥墩受力状态。当顶推力为5 000kN时，成桥状态外肢墩底边跨侧未出现拉应力，压应力为1.4 MPa，在运营阶段混凝土最大压应力为10.5 MPa，最大拉应力为3.8MPa，满足规范要求。

经综合考虑施工难度、顶推操作空间、预应力施工设备等因素后，顶推力选定为5 000kN，即每个腹板施加2 500kN顶推力。在顶推力施加过程中，采用顶推力和墩顶水平位移双控，同时观测梁体梁端和墩顶等处水平位移和竖向位移，并监控各控制点应力状况等，顶推完成后进行锁定［4］。

4.4 墩身设竖向预应力

由于外侧桥墩轴力较小，桥墩未设竖向预应力时，在施工和使用阶段均出现拉应力，因此，在墩柱内设置竖向预应力，非张拉端锚在承台内，在墩顶箱梁倒角上张拉。由于竖向预应力的设置，增大了大偏心受压构件的压力，极大改善了桥墩的受力状况，根据计算，竖向预应力可为桥墩提供约1.5MPa压应力，设置竖向预应力后，在成桥状态内、外肢桥墩墩底均未出现拉应力，最小压应力为1.4MPa，见表4。

4.5 其他措施

（1）箱梁布置较多腹板下弯钢束。本桥箱梁悬浇段顶板纵向预应力下弯束占全部悬臂束的55%，可减小箱梁的主拉应力，可有效控制箱梁下挠引起的箱梁开裂。

（2）设计文件中要求合龙段混凝土浇筑选择在气温变化幅度较小且温度较低的时间段完成，较低的合龙温度，可减小后期整体降温时的温差，进而减少降温工况下桥墩内力，改善桥墩受力状态。

5 大倒角箱梁的技术措施

梅溪湖大桥主桥箱梁腹板设置大倒角后，箱梁腹板竖向直线段将更短，用预应力粗钢筋作为斜截面抗裂主筋使用时不能覆盖腹板全范围。考虑到主桥箱梁底板布置的纵向合龙束较多，径向力较大，为兼顾腹板斜截面抗剪和底板抵抗径向力，将每根预应力束贯穿两侧腹板和底板，竖向预应力采用U形布置［5］，其布置见图2、图3。

图2 主梁中支点处预应力布置图

图3 主梁跨中处预应力布置图

本项目对采用粗钢筋和无粘结预应力进行比较可见：竖向预应力粗钢筋常因管道细长，间隙狭小，压浆孔和出浆孔设置繁琐，且易损坏或堵塞，造成压浆困难，甚至不能密实，影响预应力使用效果。本桥受箱梁外形倒角影响，腹板直线段更短，用预应力粗钢筋作为斜截面抗裂主筋使用时不能覆盖腹板全范围。同时无粘结预应力技术具有以下特点：

（1）不需要预留孔道和后期穿束，同时省去了压浆工序，施工简便，劳动效率高。

（2）摩擦阻力小，预应力损失小。

（3）节省制孔和灌浆材料与设备。

经综合比较，无粘结预应力技术是一项省工、省料、省设备、缩短工期的具有良好性能和实践价值的技术。