水库深水高墩大跨连续刚构桥设计

2017-01-16黄毅刘红杰胡岚

黄河水利职业技术学院学报 2016年3期

关键词：河大桥田湾墩顶

黄毅，刘红杰，胡岚

（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450000；2.中南建筑设计院股份有限公司，湖北武汉430071）

水库深水高墩大跨连续刚构桥设计

黄毅1，刘红杰1，胡岚2

（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450000；2.中南建筑设计院股份有限公司，湖北武汉430071）

四川大渡河大岗山水电站库区S211省道淹没复建公路田湾河大桥主梁跨径为（78＋140＋78）m，主墩高为89.5m和70m。探讨了桥梁上部结构（箱梁尺寸、预应力体系）和下部结构的设计，对全桥进行静力分析。

四川大渡河；田湾河大桥；深水；高墩；大跨连续刚构桥；静力分析

0 引言

随着我国交通工程和水利工程的飞速发展，越来越多的跨大江、大河、水库的桥梁不断涌现，不可避免地会出现很多深水高墩连续刚构桥梁。深水高墩连续刚构桥由于具有高墩、深水、大跨的特点，其受力特征也比较独特。笔者针对四川大渡河大岗山水电站库区S211省道淹没复建公路田湾河大桥，采用MIDAS CIVIL有限元软件对其进行静力分析，探讨桥梁的结构尺寸、预应力体系和整体结构设计的合理性。

1 工程概况

田湾河大桥是大渡河大岗山水电站库区S211省道淹没复建公路交通线上的重要组成部分，是保障石棉县至泸定县交通线贯通的重要节点。该桥位于田湾河和大渡河的交汇处，全桥横跨田湾河，是秀丽大山中的一颗璀璨明珠。

田湾河大桥为预应力混凝土连续刚构，宽为8m，两侧设置0.5m宽的防撞护栏，全长为304.16m，桥跨布置为78m＋140m＋78m。该桥上部构造为单箱单室变截面箱型梁，主桥墩身上部采用双肢变截面矩形实心墩，主墩高度为89.5 m和70 m。桥梁设计荷载按公路Ⅰ级进行设计，挂车－300进行校核，抗震设防烈度为Ⅷ度。桥型布置如图1所示。

图1 田湾河大桥桥型布置图（单位：cm）Fig.1 Bridge type arrangement of Tianw an r iver b ridge（U nit：cm）

2 结构设计

2.1 上部结构设计

2.1.1 箱梁构造

在预应力混凝土桥梁中，随着跨径的增加，恒载占结构受力的比重越来越大［1］。所以，为了保证梁体有足够的承载能力和应力幅度，本桥采用了高强度的C55混凝土，从而有效地减轻了桥梁自重，使得桥梁的安全性大大增强。

主桥140m跨箱梁采用单箱单室直腹板断面，顶板宽度为8m，箱梁根部梁高为8.5m，跨中及边跨合龙段梁高为3m，箱梁底板下缘按1.8次抛物线变化。箱梁0＃块底板厚度为100 cm，从悬臂根部至悬浇段，各梁段底板厚按1.8次抛物线由96.3 cm变为32 cm，跨中合龙段及边跨现浇段底板厚度为32 cm。在大桩号侧边跨现浇段设置直径为60 cm的人洞。箱梁0＃块顶板厚度为50cm，其余节段为25cm。箱梁0＃～9＃块的腹板厚度为70 cm，10＃块的腹板厚度为70～50cm，其余梁段的腹板厚度为50cm。主梁悬臂长度为1.75m，翼缘外侧厚为15 cm，根部厚为60cm，采用折线变化。边跨现浇段处设置宽度为1.6m的端横梁。端横梁设置伸缩缝处的翼缘厚度统一加厚至100 cm。箱梁横断面如图2所示。

图2 箱梁横断面图（单位：cm）Fig.2 Cross－sectional view of the box girder（Unit：cm）

按照各节段重量不宜相差太大、节段长度不宜太长、节段数不宜太多的原则，全梁共划分了76个梁段。悬臂浇筑节段的长度有3.0m、3.5m和4.0m3种，0＃梁段长12m，合龙段的长度均为2.0m，边跨现浇段长为7.0m。最大悬臂浇筑块重1 300 kN。

2.1.2 箱梁预应力结构

主梁采用两向预应力结构。纵向预应力分为顶板束、腹板束、底板钢束3种，采用19φs15.2mm、15φs15.2mm的高强度低松弛预应力钢绞线，其抗拉强度标准值fpk＝1 860MPa，钢束张拉控制应力为1357.8MPa，其张拉控制力分别为361.2 t和285.1 t。竖向预应力采用JL32的高强精轧螺纹粗钢筋，抗拉强度标准值（材料屈服点σ0.2）为930MPa，张拉控制应力为837MPa，张拉控制力为67.3 t。

2.2 下部结构设计

在水库完成蓄水后，桥墩大部分浸泡在水中。通过对双肢空心墩与实心墩进行多次比较分析，田湾河大桥桥墩采用钢筋混凝土双肢变截面矩形实心墩与主梁固结。实体墩不但施工方便，而且桥墩各个截面处水压力平衡，给桥墩提供了较大的抗力，使桥墩在动水压力作用下的安全系数较大。单肢桥墩顺桥向尺寸为2.5m，横桥向墩顶尺寸为6.5m，并以1∶100的斜率往下放坡；承台采用矩形断面，横桥向长为14.6m，顺桥向宽为12.0m，厚为4.0m；基础采用6φ250 cm钻孔灌注桩。

3＃桥台采用桩接盖梁型桥台，桩基直径为2.0m；0＃桥台采用重力式桥台，承台横桥向尺寸为11.5m，顺桥向尺寸为7.8m，厚为2.5m，桩基直径为1.4m。

3 静力计算分析

3.1 边界条件

本桥上部结构静力分析采用迈达斯（Midas Civil）软件，计算内容包括：成桥状态下恒载、车道荷载、预应力、混凝土收缩徐变（按3 650 d计）、支座强迫位移（按1.0 cm计）、均匀温度作用（升、降温分别按＋29.2℃、－18.9℃计）、竖向梯度温度作用（按T14／5.5℃取值［2］）等。按有关规范规定，对各种作用进行不同的组合，对结构的持久状况承载能力极限状态、持久状况正常使用极限状态、持久状况和短暂状况构件的应力等分别进行计算［3］。

3.2 主梁验算

（1）使用阶段正截面抗裂验算。按全预应力构件设计的桥梁，在使用阶段，正截面应存在拉应力［4］。该桥主梁结构验算结果如图3所示。从图3可以看出，中墩墩顶处最大拉应力为－0.02MPa。由于墩顶处截面失真，可以不考虑该处拉应力影响。所以，在使用阶段，主梁正截面积抗裂应力满足规范要求。

图3 田湾河大桥主梁正截面抗裂应力图Fig.3 Crack resistance stress of Tianwan r iver b ridge girder normal section

（2）施工阶段法向压应力验算。规范要求，在施工阶段，主梁法向压应力限值为19.88MPa。该桥主梁在施工阶段的法向压应力计算结果如图4所示。由图4可以看出，该桥主梁在施工阶段的法向压应力最大为14.59MPa。故满足要求。

图4 田湾河大桥主梁施工阶段法向压应力图Fig.4 Normal stress of Tianwan r iver b ridge girder construction phase

（3）承载能力极限强度验算。箱梁截面承载能力极限组合抗力与抗力对应内力计算结果如图5所示。由图5可以看出，该桥抗弯承载能力极限强度均满足规范要求。

上部箱梁结构的持久状况承载能力极限状态的最不利位置在跨中处，结构内力为141 779.1 kN·m，结构抗力为143973.1 kN·m。上部箱梁结构的持久状况正常使用极限状态下，最小正应力为0.132 MPa（墩顶截面处应力失真），跨中正应力储备为1.6 MPa，可有效预防连续刚构桥梁的跨中下挠［2］。上部箱梁结构持久状况和短暂状况构件的应力最不利位置在跨中附近，最大压应力为16.9MPa，容许压应力为17.8 MPa，留有足够的压应力储备，施工阶段法向压应力限值为19.88MPa，施工阶段法向压应力为14.59MPa。因此，上部结构箱梁的计算均满足规范要求。通过优化钢束配置，使跨中下缘的压应力储备较大，可以有效预防跨中下挠问题。

3.3 桥墩验算

在静力工况下，并考虑桥梁受横桥向和顺桥向风力作用，计算桥墩轴力，其结果如表1所示。在荷载作用下，桥墩裂缝计算结果如表2所示。

图5 箱梁截面承载能力极限组合抗力及抗力对应内力图Fig.5 Box girder section carrying capacity lim itation combination resistance and corresponding internal force

表1 桥墩轴力表Tab.1 Axial force of pier

由表1可以看出，1＃桥墩墩顶内力为57787.4kN，截面抗力为252276.2kN，墩底内力为112 804.1 kN，截面抗力为350 373.0 kN；2＃桥墩的墩顶内力为43 145.2 kN，截面抗力为320 791.8 kN，墩底内力为102 866.1 kN，截面抗力为316 926.6 kN。所以，桥墩处于小偏心受压构件。

由表2可知，桥墩墩顶截面的最小裂缝为0.096 mm，墩底截面的最小裂缝值为0.185 mm。因此，实体墩的抗力远远大于截面内力，可有效抵抗水库中的动水压力，并且桥墩的裂缝值富裕度较大，保证了桥墩在深水水库中的安全。