大跨单肢矮墩连续刚构桥设计

刘 岩

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056）

1 工程概况

金山大桥跨越福州闽江，为福州市区连接仓山区与台江区的重要通道。与连续梁相比，连续刚构可以节省支座费用，后期维护也方便。梁高在同等跨度下可以比连续梁低，具有外形尺寸小、桥下净空大的特点。从通航、美观性、两岸接线和交通组织便利等因素考虑，新建金山大桥主梁采用（60+110+60）m变高度混凝土连续刚构箱梁。

该桥为城市主干路，桥址处闽江通航标准Ⅳ级，场地环境类别为Ⅱ类，动峰值加速度0.10g，地震基本烈度7 度。地质层为第四系冲洪冲淤积层，覆盖层厚度较大。

2 总体布置

新建金山大桥跨江主桥采用孔跨布置为（60+110+60）m 预应力混凝土连续刚构桥，边中跨比0.55，如图1 所示。梁底下缘采用半径为499.23 m圆曲线变化。主桥中支点梁高5.2 m，根部梁高为主跨径的1/21；跨中梁高2.4 m，跨中梁高为主跨径的1/46。主墩采用板式单肢墩，墩高9.45 m，基础采用钻孔灌注桩。

图1 新建金山大桥连续刚构立面布置（单位:m）

3 主要结构设计

3.1 主梁设计

新建金山大桥主梁采用C60 混凝土。主桥中支点梁高5.2 m，中支点梁高为主跨径的1/21；跨中梁高2.4 m，跨中梁高为主跨径的1/46，因主梁梁高较小。为满足抗剪截面需求，主梁采用单箱双室斜腹板箱形截面（见图2），顶板宽19.5 m，底板变宽11.175～9.0 m，两侧挑臂各长3.5 m，顶面设1.5%单向横坡。顶板标准厚度0.26 m，倒角根部和翼缘根部厚0.6 m，底板中跨和边跨标准厚0.28 m，过渡至根部厚度为1.3 m。中、边腹板厚度0.45～1.0 m。主梁0# 节段长13 m，边跨现浇段长5.9 m，中跨合龙段长2.0 m。主梁采用纵、横、竖三向预应力体系。

图2 箱梁截面（单位：cm）

主梁计算时考虑桩- 土相互作用、中跨合龙施加顶推力、挂篮悬臂施工龄期、基础沉降等工况对结构的影响，进行包络计算。正截面强度安全系数最小值1.22。斜截面抗剪承载能力安全系数最小值1.32。正截面抗裂应力计算，截面上下缘不出现拉应力。斜截面混凝土的主拉应力最小值-0.47。主梁上缘最大压应力18.2 MPa，下缘最大压应力14.3 MPa。混凝土最大主压应力12.3 MPa。考虑荷载长期效应增长系数1.4 后，主梁跨中活载最大挠度为49.7 mm，小于L/600，主梁各项计算结果均满足规范要求。

3.2 下部结构设计

连续刚构桥线刚度大部分由主墩提供。为满足强度和温度变形要求，矮墩大跨连续刚构桥的主墩一般采用双肢薄壁墩。本项目设计时为满足两岸接线要求，桥面设计高程受限。同时，桥下需满足通航净高要求，扣除主梁高度后主墩高度不能超过10 m。为满足桥下通航净宽和美观要求，主墩需采用单肢实体墩。墩身设计既要能降低桥墩抗推刚度，又要能满足桥墩承载力要求。因此，主墩是该桥设计的重点与难点。设计时需注意四点：（1）纵向抗推刚度应能够适应混凝土收缩徐变、温度引起的纵桥向变形；（2）结合地质条件选择合理基础方案，降低基础刚度；（3）墩身刚度的选择需考虑稳定性、材料强度、截面布筋的要求；（4）明确墩身内力组成对应采取措施，改善墩身受力性能。

3.2.1 墩身内力分析

设计时首先对桩土效应和墩身内力影响因素两方面进行分析。

设计时将桩周土作用看成线弹性土弹簧，用“m法”模拟桩土共同作用。从表1 可看出，桩土中共作用工况与墩底固结工况相比，墩身内力、位移、应力差别很大。因此，设计时需考虑桩土共同作用效应，同时需对桩基布置方案对比，与减小基础刚度。

表1 主墩墩身内力结果对比

考虑桩土效应后，从表2 可以看出，混凝土收缩徐变对主墩内力影响最大，其次是整体升（降）温和上部结构预应力产生的次内力。设计时要考虑上部结构预应力对下部结构受力影响，同时考虑中跨合龙施加顶推力等措施，改善混凝土收缩徐变影响，改善墩身受力性能。

表2 主墩内力分项统计

3.2.2 桩基方案比

因连续刚构桥墩矮, 结构对混凝土收缩徐变、温度变化、预应力次内力等非常敏感。基础刚度直接影响桥梁整体计算结果，结构计算时需考虑桩土共同作用。同时，基础又需要具有一定的抗弯刚度，以满足悬臂施工时的安全。设计研究了3 种桩基布置形式：（1）6 根φ2.0 m 钻孔桩，桩长约95 m；（2）6 根φ2.2 m 钻孔桩，桩长约90 m；（3）13 根φ1.5 m 钻孔桩，桩长约65 m。各方案平面布置如图3 所示。

图3 主墩基础方案平面布置图（单位：cm）

桩基方案对比见表3。从基础刚度、结构受力条件和基础工程量等方面比较，方案一主墩基础采用6根φ2.0 m 钻孔灌注桩，基础刚度最小、桩基工程量较小，是最为合理的。

表3 桩基方案对比

3.2.3 桥墩尺寸确定

桥墩采用单肢实心墩，墩身刚度减小对上、下部受力均有利，单墩矩形截面尺寸确定是关键，减小墩身尺寸可降低桥墩抗推刚度，可改善桥墩和基础受力，但会使墩身抗弯刚度减少，桥墩承载力不足。同时，为改善小截面尺寸桥墩的受力,提高施工阶段稳定性和结构抗震性能，墩身设竖向预应力，并在中跨合龙施工时施加顶推力。

计算时考虑桩土相互作用，采用推荐基础刚度，对墩方案，选取2.2 m、2.4 m、2.6 m 三种墩宽进行计算对比分析。中跨合龙顶推力为3000 kN 时，运营阶段墩身应力见表4。

表4 运营阶段墩身应力统计

由表4 可以看出，通过施加墩身预应力、中跨合龙顶推力，2.4 m 宽墩身结构满足预应力混凝土结构A 类构件的设计要求，墩宽减小或增大需提高合龙顶推力或配筋率，增加设计困难和施工难度。

3.2.4 主梁中跨合龙施工与墩身应力调整

中跨合龙通过施加顶推力，可有效改善墩身和墩顶处主梁受力[1]。改善成桥后混凝土收缩徐变引起的主梁下挠见表5。不施加合龙顶推力或合龙顶推力施加过大，会造成墩顶水平位移过大，跨中下挠或上拱位移过大，对桥梁受力不利。本桥合龙顶推力确定为3000 kN，运营阶段桥墩基本保持垂直状态，主梁跨中基本无下挠，并改善了主梁和主墩的受力性能。

表5 不同顶推力墩身应力、位移及跨中挠度对比

经过对比分析，主墩墩身采用预应力混凝土板式桥墩，墩身横桥向宽度9.0 m，顺桥向宽度2.4 m，主墩墩高9.45 m，采用C50 混凝土。墩身顺桥向两侧共设置100 根JL32 高强度精轧螺纹预应力钢筋，JL32 预应力精轧螺纹钢筋fpk=930 MPa。基础采用6根直径φ2.0 m 钻孔灌注桩，呈梅花型布置，采用水下C30 混凝土。承台采用多边形承台，轮廓尺寸为18.4 m×8.5 m×3.5 m，采用C40 混凝土，如图4 所示。

图4 主墩结构图及墩身预应力平面布置图（单位：cm）

4 结构动力特性与抗震性能分析

成桥状态振型特点见表6，各振型的自振周期均未超过1 s，结构动力性能良好[2]。

表6 成桥状态结构动力特性

E2 地震作用下，主墩和桩基纵、横桥向最不利截面弯矩小于截面等效屈服弯矩见表7。主桥结构满足抗震性能要求。

表7 E2 地震作用下最不利轴力下主桥主墩和桩基屈服弯矩验算

5 稳定性分析

本桥对施工阶段与使用阶段稳定分析得出,悬臂施工阶段为稳定最不利阶段[3]。验算考虑主墩两侧混凝土节段浇筑相差1/2 节段、挂篮移动不同步、施工临时荷载不同步和机具动力系数、挂篮模板坠落、梁体自重不均匀、两侧风荷载相差50%等工况。施工阶段一阶纵向失稳，稳定特征值为24.2，该桥一类稳定安全系数大于4，且安全度较高。

6 结语

通过对比分析与结构验算可知，大跨度矮墩连续刚构桥设计，考虑“桩- 土- 结构”的相互作用[4]；考虑中跨合龙时施加顶推力等施工措施；墩身选择合理的截面尺寸，桥墩可选择单壁墩结构。新建金山大桥综合考虑受力与自身承载力要求，选择了合适的基础形式和桥墩尺寸。该桥设计合理、各项指标满足规范要求，可为类似桥梁的设计提供一定的参考。