连续-刚构组合梁桥结构设计及关键技术

韩 锋，杨 华

（1.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032；2.山西工商学院，山西 太原 030006）

随着公路桥梁建设的快速发展，预应力混凝土连续梁体系桥得到了大范围推广应用[1]。从六十年代开始，出现了一种新型的将“T”型刚构与连续梁结合起来的连续-刚构体系，又称墩梁连固的连续梁体系[2]。连续-刚构组合体系梁桥兼顾了连续梁桥和连续刚构桥的优点，摒弃了各自的缺点，在结构受力、使用性能等方面都具有一定的优越性[3]。本文以晋蒙黄河大桥主跨152 m长联大跨连续-刚构组合梁桥为例，介绍了大桥的总体布置及上下部结构设计要点，对大桥设计关键技术进行了总结。

1 工程概况

晋蒙黄河大桥及引线工程起于河曲县楼子营镇科村，与已建的神池至河曲高速公路顺接，止于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗沙沟子村东，与大饭铺至龙口高速公路顺接，路线全长4.865 km。设计速度80 km/h，路基宽度为32 m，按双向六车道设计，桥梁设计荷载等级为公路-Ⅰ级。黄河河道内设计桥高为43～57 m，桥下净空不受桥型结构控制。项目区基本地震动峰值加速度0.05g。

初步设计阶段，对拟定方案从结构形式、施工难度、养护维护、抗震、抗风、工期、造价、桥梁美学效果等角度进行了同深度比较。主跨152 m连续-刚构组合梁桥因桥型成熟、质量及耐久性易于保证、建设成本及后期养护费用可控、等跨径跨越河道、视觉效果好等优势，作为初步设计推荐的桥型方案。

图1 项目地理位置图

2 结构设计

2.1 总体设计

桥梁全长2 133 m，两侧引桥采用30 m、50 m预应力混凝土连续T梁，主桥采用跨径152 m连续-刚构组合体系。主桥分为两联，第一联为83 m＋4×152 m＋83 m，第二联为83 m+3×152 m+83 m。第一联自小桩号至大桩号方向依次是：边跨→连续-刚构跨→刚构跨→连续-刚构跨→连续跨→边跨；第二联为边跨→连续-刚构跨→刚构跨→连续-刚构跨→边跨。

2.2 结构设计参数

a）汽车荷载 单幅桥计算车道数为三车道，车道折减系数0.67，冲击系数0.05，汽车偏载系数1.15。

b）温度荷载 合龙温度设定在10℃ ～15℃，有效温差：整体升温25℃，整体降温40℃；竖向梯度温度：正温差T1=14℃，T2=5.5℃，负温差T1=-7℃，T2=-2.75℃。

c）不均匀沉降 主墩20 mm，交界墩、分联墩10 mm。

d）风荷载 百年一遇基本风速32.7 m/s，桥面处运营风速取值25 m/s，风速重现期系数0.84。

e）汽车制动力 按联长满布汽车荷载总重力的10%计算。

f）支座摩阻力 球型钢支座摩擦系数0.05。

g）流水压力 桥墩形状系数取1.3，设计流速2.08 m/s。

h）冰压力 迎冰面形状系数0.77，冰温系数2.0，冰的抗压强度取450 kN/m2，冰厚0.5 m。

i）箱梁横向计算 桥面板分别按框架和简支板两种模式进行计算，考虑了箱室内外±5℃温差效应。

j）横隔板计算 考虑支座更换工况。

图2 主桥总体布置图（单位：m）

图3 第一联结构计算模型

2.3 主桥上部结构设计

主梁采用单箱单室箱型截面，顶板宽15.55 m，底板宽8 m，跨中梁高3.4 m，支点梁高9.5 m，主梁根部至跨中梁高按1.7次抛物线渐变[4]。

图4 主梁典型横断面（单位：mm）

悬浇梁段顶板厚32 cm，底板厚由跨中32 cm渐变至根部90 cm，腹板厚由跨中50 cm渐变至根部70 cm。零号块根据受力需要，顶板加厚至50 cm，底板加厚至120 cm，腹板加厚至105 cm。

2.4 主桥下部结构设计

如图2所示，P8、P19为主引桥交界墩，P14为主桥分联墩，为进一步释放温度力，P9、P12、P13、P15、P18为设置钢球支座的连续墩，P10、P11、P16、P17为与主梁固结的刚构墩。

主墩均采用等截面矩形空心墩形式。连续墩纵桥向宽5 m，横桥向宽10 m；刚构墩纵桥向宽4 m，横桥向宽8 m，最大墩高43.5 m。主桥连续墩设速度锁定器，纵向地震荷载作用下所有主墩均参与地震力分配[4]。

P8、P14、P19采用分离式承台，厚度3 m，其余连续-刚构墩采用整体式承台，厚度5 m。采用D200的钻孔灌注群桩基础，最大桩长60 m，按摩擦桩设计。为防止黄河泥沙冲刷桩基，河道中主墩在桩顶15 m长度范围设永久性钢护筒，迎水面设置破冰体[4]。

图5 主桥桥墩断面（单位：mm）

3 关键技术研究

3.1 关键技术点一 连续墩墩顶设速度锁定装置

如图6a所示，在连续-刚构组合体系下，图6地震力主要由两个刚构墩承担，存在刚构墩截面尺寸较小，承载力不足以抵抗地震力，而连续墩的承载力没有得到利用等问题。为了解决这些问题，在连续墩墩顶设速度锁定装置，地震来临时，连续墩被锁定，变为固定墩，参与地震力分配，如图6b所示，各墩承担弯矩较均匀[5]。

图6 纵向地震力引起的结构弯矩图

表1 速度锁定器设置与否结构动力特性对比

连续墩刚度较大，分担了较多的地震力，其承载力得以发挥；刚构墩承受弯矩得以减弱，桥梁安全储备得到提高；通过在桥梁结构中设置减隔震装置，改变结构的动力特性（固有周期、阻尼），减小了地震激励，从而减小结构的地震反应。为了使地震作用合理分布，除最矮P18，其余连续墩均在墩顶中心处设置速度锁定器。

3.2 关键技术点二 先刚构跨后连续跨合拢顺序

对于多跨长联的连续-刚构桥型，张拉底板钢束时，二次效应会使相邻孔跨底板产生拉应力，对此优先合拢底板压应力储备需求较小孔跨，后合拢需求较大孔跨，后者压应力储备大于前者，运营状态下全桥底板应力达到较均匀水平[6]。优先合拢刚度较大的刚构跨，再合拢刚度较小的连续跨，主桥第一联合拢顺序为：第3跨→第2跨→第4跨→第1、6跨（边跨）→第5跨；主桥第二联合拢顺序为：第3跨→第2跨→第4跨→第1、5跨（边跨）。相比传统的先边跨后中跨的合拢顺序，可以增大连续跨底板应力，减小刚构跨底板应力，应力水平趋于均匀[6-8]。

表2 不同合拢顺序下跨中截面下缘压应力 MPa

图7 第一联合拢工序示意

采用先合拢刚度较大的刚构跨，再合拢刚度较小的连续跨，对压应力储备较高要求的第4跨，成桥状态下缘应力增加0.44 MPa，短期效应增加0.21 MPa；对压应力储备要求最小的第2跨，成桥状态下缘应力减小1 MPa，短期效应减小0.87 MPa。

4 结构计算

4.1 上部主梁静力计算

上部主梁静力计算分析表明，结构承载能力均大于内力设计值，主梁抗弯、剪、扭承载力满足规范值。

图8 第一联设计弯矩与正截面抗弯承载能力包络图

在短期组合下，正截面抗裂计算第一联桥主梁上缘最大法向拉应力为-0.25 MPa，下缘最大法向拉应力为-1.02 MPa；第二联桥主梁上缘最大法向拉应力为-0.22 MPa，下缘最大法向拉应力为-1.02 MPa，均不出现拉应力。斜截面抗裂中，第一联桥主梁最大主拉应力为1.08 MPa，第二联桥主梁最大主拉应力为1.01 MPa，均满足现行规范要求。

弹性组合下，正截面压应力计算第一联桥主梁上缘最大法向压应力为-17.08 MPa，下缘最大法向压应力为-16.32 MPa；第二联上缘最大法向压应力为-16.80 MPa，下缘最大法向压应力为-15.58 MPa，满足现行规范要求。斜截面压应力计算第一联桥主梁的最大主压应力为-17.08 MPa，第二联桥主梁的最大主压应力为-16.80 MPa。

4.2 稳定性计算

本桥为预应力连续-刚构组合体系，在桥墩和桥墩与主梁连接处存在差异。从可能出现的最不利荷载，考虑3种最不利荷载组合[9-10]。

a）工况1 处于最大悬臂浇筑阶段，未出现大风。

b）工况2 最大悬臂状态，边跨未合拢，出现横向大风。

c）工况3 最大悬臂状态，边跨未合拢，出现纵向大风。

表3 最大悬臂状态稳定计算

计算结果表明，在最大悬臂状态各工况的最小稳定安全系数相差很小，风荷载对稳定影响不显著。这是由于桥墩高度较低，上部结构自重大，起控制稳定作用。

5 结语

通过研究，本文得出结论如下：

a）结合实际地形条件，晋蒙黄河大桥采用主跨152 m连续-刚构组合梁桥型等跨径跨越黄河，采用成熟的悬臂法施工工艺；桥梁受力性能好，结构刚度大。随着工程建设需求的多元化发展，受地形、跨度、净空等因素制约，该桥型具有较大竞争优势。

b）大跨、长联连续-刚构组合梁桥，连续墩设置速度锁定器可充分利用其刚度大的特点，分担更多地震力，使其承载力得以发挥；从而减弱刚构墩承受弯矩，桥梁安全储备得到提高。

c）大跨、长联连续-刚构组合梁桥，张拉底板钢束时，二次效应使相邻孔跨底板产生拉应力，可优先合拢底板压应力储备需求较小孔跨，后合拢需求较大孔跨，从而运营状态下全桥底板应力达到较均匀水平。