山区高墩大跨度连续刚构桥设计

张 浩, 窦 巍

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司；交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

山岭重丘区常规大跨、特大跨度桥梁设计在满足结构安全性及耐久性的条件下，重点考虑结构的经济性。设计将充分利用地形条件，力求建设方案经济、实用。坚持灵活运用技术指标，减少工程建设对社会资源的浪费。针对山岭重丘桥位区地形复杂,山谷宽深,呈V形、U形,山坡陡峭,该类桥梁在合适的跨径范围内应重点考虑连续刚构桥。

1 项目简介

宜宾至昭通高速公路是四川省宜宾市至云南省昭通市的重要通道，路线全长135.4 km，牛街特大桥位于彝良县东北部，为本项目的控制性节点之一。项目为双向四车道高速公路，设计速度为80 km/h，路基宽24.5 m，横向布置为0.5 m(护栏)+11 m(行车道)+1.5 m(中央分隔带)+11 m(行车道)+0.5 m(护栏)，地震动加速度峰值为0.05g，设计百年一遇基本风速为28.2 m/s。

2 主桥结构设计

2.1 总体设计

主桥位于分离式路基，单幅桥梁全宽12.0 m，主桥跨径布置为(85+2×160+85) m，最大墩高为130.0 m，如图1所示。主梁采用单箱变截面预应力混凝土连续箱梁，主墩采用双肢薄壁空心墩，过渡墩采用单肢薄壁空心墩，下部基础采用承台接群桩基础。

图1 主桥总体布置图(单位：cm)

2.2 主梁结构设计

上部结构主梁采用单箱单室预应力混凝土连续箱梁，箱梁按3.0 m、3.5 m和4.0 m梁段长度分段；箱梁顶板宽12.0 m，底板宽6.5 m；中支点中心梁高10.0 m，跨中中心梁高4.1 m，梁高由跨中向墩顶按1.6次抛物线规律变化。箱梁跨中底板厚度为32 cm，支点底板厚度120 cm，底板厚度由跨中向支点按1.6次抛物线规律变化。箱梁腹板采用分段等厚规律变化，厚度由跨中向支点分别采用50 cm、70 cm、90 cm三种厚度。箱梁混凝土采用C55高强混凝土。

主梁采用三向预应力结构，纵向预应力筋采用φs15.2-16、φs15.2-19、φs15.2-22钢绞线，钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa，纵向钢束均采用两端张拉。顶板钢束采用平、竖弯结合，锚固于顶板梗腋内；腹板钢束采用下弯，锚固于腹板内；底板钢束采用竖弯，部分为平弯，锚固于底板齿块及梁端头；合拢钢束采用竖弯，部分为平弯，锚固于顶、底板齿块及梁端头。箱梁强度及弹模达到90%设计值时方可进行钢束张拉，张拉后采用真空吸浆工艺，管道压浆应密实。

顶板横向预应力筋采用φs15.2-3钢绞线，钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa，采用弧形扁锚，单端交错张拉，设计张拉控制应力为0.75fpk。竖向预应力筋采用无黏结预应力钢棒及钢绞线，竖向预应力无黏结预应力钢棒抗拉标准强度fpk=1 420 MPa，张拉控制应力为0.65fpk，在顶板单端张拉；竖向预应力钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa，采用扁锚，单端张拉，设计张拉控制应力为0.75fpk。

通过对国内已建成大跨度连续钢构桥的调查来看，后期跨中下挠普遍存在，因此本次设计考虑主梁内设置体外预应力体系，成桥后仅张拉15%，后期根据需要进行补张。

2.3 主墩结构设计

主桥最大墩高130 m，本次设计主墩采用双肢薄壁空心墩，顺桥向双肢中心间距8.5 m，单肢墩顶顺桥向宽3.5 m，横桥向宽8.5 m。桥墩顺桥向和横桥向壁厚均为80 cm，单肢内部每隔20～25 m设置一道横隔板，横隔板厚度50 cm。两薄壁墩之间设置横系梁，横系梁间距为40～45 m，横系梁高3.0 m，壁厚0.5 m。主墩采用C55混凝土。

主墩承台顺桥向宽19.5 m，横桥向宽11.5 m,高5.0 m，承台下设置15根直径2.0 m钻孔灌注桩基础。主墩承台采用C30混凝土，主墩桩基采用C30水下混凝土。

3 主桥结构分析

3.1 主要计算方法、参数和假定

主桥箱梁及桥墩均采用C55高强混凝土，技术参数按相关规范计取。构件采用空间梁单元。

在全桥总体结构分析中考虑恒载、活荷载、基础沉降、温度荷载、风荷载、施工临时荷载等作用下产生的荷载效应。根据施工步骤进行施工及运营阶段模拟分析，按相关规范要求对施工阶段及成桥阶段进行各种荷载组合计算。对于箱梁桥面板、端横梁、中横梁进行横向加载进行模拟计算分析。

3.2 主要计算结果

3.2.1 结构刚度

结构刚度计算如图2所示，结构刚度满足规范要求。

图2 主梁竖向挠度(汽车活载不计冲击力)

3.2.2 主要结构静力计算结果

主梁持久状况短期效应主梁正截面上下缘均未出现拉应力；斜截面最大主拉应力为0.9 MPa；计算结果表明，施工及成桥阶段主梁强度、抗裂性能、挠度等均满足规范要求。

3.2.3 结构稳定性

本桥最高桥墩130 m，高墩导致整体屈曲稳定性和薄壁局部屈曲稳定性以及高墩低频风振对施工、运营阶段安全性影响等问题突出，在结构最大悬臂阶段，考虑风荷载、挂篮、自重荷载作为屈曲荷载。

最大双悬臂施工阶段前三阶稳定系数见表1。

表1 最大双悬臂施工阶段前三阶稳定系数

最大单悬臂施工阶段前三阶稳定系数见表2。

表2 最大单悬臂施工阶段前三阶稳定系数

最大单悬臂施工阶段典型失稳模态如图3所示。

图3 最大单悬臂施工阶段典型失稳模态

运营阶段考虑风荷载、二期、自重荷载、高墩最不利活载作为屈曲荷载。运营阶段前三阶稳定系数见表3。

表3 运营阶段前三阶稳定系数

最大双悬臂施工阶段、最大单悬臂施工阶段及运营阶段，结构稳定系数均大于4，满足规范要求。

4 结束语

山岭重丘桥位区地形复杂，桥面与沟底高差达百米之余，该类型桥梁在合适的跨径范围内应重点考虑连续刚构桥型。本文以宜宾至昭通高速公路牛街特大桥主桥结构设计为例，对山区高墩连续刚构桥结构设计要点进行分析，主要研究内容包括总体设计、主梁结构设计、主墩结构设计和主桥结构分析。研究结论可供同类型桥梁结构研究比选。