基于受力特点的斜腿刚构桥设计研究

舒 勇 朱朝阳 余永强

(1.武汉深为工程技术有限公司 武汉 430056； 2.中国市政工程西北设计研究院有限公司 武汉 430056)

斜腿刚构桥因造型美观、与周围环境协调性强、材料使用经济[1]，在中等跨径桥梁选型中具有较强的竞争力，自世界上第一座预应力斜腿刚构桥(1954西德霍莱姆桥)修建以来，这种桥型已越来越多地运用于我国城市或公路改建或新建桥梁中[2]。斜腿刚构桥兼顾拱桥及刚构桥的特点，桥墩与主梁固结能够减小主梁跨中弯矩，有效减小主梁梁高[3-4]，但其为有推力结构，对地基条件有一定要求。本文以湖北省鄂州市月河桥的设计为例，研究新建斜腿刚构桥结构受力优化处理等关键措施，通过合理的技术措施，使桥梁结构受力处于合理状态。

1 工程概述

1.1 建设条件

月河桥位于湖北省鄂州市，跨越长港，是连接樊口片区与月河片区的重要通道。月河旧桥为双曲拱桥，经鉴定为限载通行的危桥，居民需乘坐渡船过河，极为不方便，迫切需要新建一座桥梁。

拟建场地地基岩土层在勘探深度范围内的地基岩土层包括：①层填土(Qml)，②淤泥粉质黏土(Q4l)，③-1粉质黏土，③-2粉质黏土，③-3砾砂，③-4粉质黏土，④-1层强风化砾岩(K)，④-2层中风化砾岩(K)，⑤-1强风化砂岩，⑤-2中风化砂岩。淤泥粉质黏土场地均布厚度4～5 m。

1.2 总体布置及结构方案

斜腿刚构桥跨径组成为37 m+64 m+37 m=138 m，一跨跨越长港，主跨64 m，主墩承台间距80 m。同时利用斜腿刚构的边跨空间，打造亲水休闲平台，并在桥台上设置过渡孔，方便地面辅道小型车辆调头，方便周围居民出行。桥梁总体布置图见图1。

图1 桥梁总体布置图 (单位：m)

主梁采用变高度混凝土箱梁，梁高沿按二次抛物线变化。主梁为斜腹板单箱双室截面，箱梁顶宽23 m，箱梁悬臂长度4 m，跨中及端部梁高1.8 m，根部梁高4.0 m。

斜腿主墩。斜腿纵桥向水平夹角55°，竖向斜率与主梁边腹板一致，主墩上部采用混凝土单箱双室截面，下部采用矩形实心截面，采用基座与承台连接，承台下设8根直径2.0 m钻孔灌注桩。主墩结构图见图2。

图2 主墩结构图 (尺寸单位：m)

桥台及基础。桥台采用双柱式台身，与台后通道连为一体，每个承台下设置8根直径1.2 m钻孔灌注桩。

2 斜腿刚构斜腿固结与先铰接后固结的比较

常规的斜腿刚构桥型，斜腿底部有固结和铰接2种体系方案。斜腿刚构桥为多次超静定结构，温度及收缩徐变产生的次内力较大[5]，斜腿端部铰接可有效减小因预应力、混凝土收缩徐变及温度变化对斜腿产生的次内力，但斜腿顶部弯矩较大，且耐久性较差，一般适用较小跨径斜腿刚构桥。本桥结构体量较大，斜腿端部位于常水位以上、洪水位以下，设置永久铰结构较为复杂，且耐久性差，不便维护，因此本桥成桥后宜采用斜腿固结体系。

由于本桥规模较大，上部结构施工工期较长，若施工期间墩底固结，混凝土早期收缩徐变发展较快，施工过程中在斜腿根部产生较大的内力[6-7]，对斜腿及基础受力不利，需通过增大截面尺寸和配筋来解决，增加工程投资。施工期间在恒载及预应力二次力作用下墩底亦会产生较大的弯矩内力。

为改善施工期间斜腿端部受力，对斜腿固结及先铰接后固结2种体系进行计算对比。采用有限元程序midas Civil建立全桥空间模型。模型共分804个单元， 827个节点；纵向建模考虑桩土共同作用，模拟桩基础土弹簧刚度，梁体按实际纵坡5%建模，全桥计算模型见图3。

图3 全桥计算模型

施工及成桥固结体系墩底内力计算结果见表1。

表1 施工及成桥固结体系墩底内力计算结果

施工设铰、成桥固结体系墩底内力计算结果见表2。

表2 施工设铰、成桥固结体系墩底内力计算结果

固结体系恒载作用下墩底弯矩为69 262 kN·m，施工设铰、成桥固结体系恒载作用下墩底弯矩为19 780 kN·m，弯矩减小71.4%；由于恒载弯矩占比较大，运营阶段组合弯矩亦减小显著，减小幅值达50.8%。经分析比较，采用施工期间临时设铰、成桥后固结的措施，可以显著减小和改善墩底及基础受力，保证斜腿及基础受力安全。

3 一般地质条件桥墩基础的研究

月河桥斜腿基础位置地质条件一般，固结体系下基础承受较大水平推力，桩身内力及桩顶位移较大。通过合理设置群桩基础偏心距、采用抗推能力强的大直径桩、对承台位置一定范围土体进行浆喷桩加固等措施能有效控制桩身内力和桩顶位移，保证基础设计安全。

3.1 基础偏心距设置对下部结构受力的影响

由于斜腿端部采用固结体系，成桥后在后期混凝土收缩徐变、温度作用下，基础将承受较大的水平推力和弯矩。桥位处覆盖层粉质黏土深度较厚，土对基础的约束作用较弱，桩身位移及桩顶位移较大，控制桩基础结构设计。为了最大限度地减小桩身内力和桩顶位移，同时兼顾桥墩受力安全，研究群桩基础与桥墩偏心距的不同对承台底和墩底内力影响，分别研究基础外偏0.6 m、外偏0.3 m、不偏、内偏0.3 m、内偏0.6 m等6种工况，基础偏心距对承台底内力影响计算结果见表3。

表3 基础偏心距对承台底内力影响计算结果

基础偏心距对墩底内力影响计算结果见表4。

表4 基础偏心距对墩底内力影响计算结果

由分析结果可知，随着基础中心向跨中偏移，承台底及墩底弯矩内力逐渐增大，但基础剪力逐渐减小，为合理控制和平衡桩顶内力及水平剪力导致的桩顶位移，同时控制墩底内力，基础偏心距外偏(向岸侧)0.3 m。

3.2 桩基布置方案对桩顶位移控制的影响

按照桩身面积相等原则，分别研究8根直径2.0 m桩基、10根直径1.8 m桩基、14根直径1.5 m桩基等3种不同直径桩基布置方案，对运营阶段桩顶最大位移控制的影响，3种方案桩顶最大位移计算结果见表5。

表5 桩顶最大位移计算结果

由分析结果可知，最不利工况组合下，8根直径2.0 m的桩基布置方案能较好地控制桩顶最大位移，桩顶最大位移5.6 mm<6 mm，因此采用抗推能力较强的大直径2.0 m群桩基础，确保桩周土体及桩身受力安全。

3.3 承台台后土体加固措施

为提高主墩桩侧土抗力，主墩基础施工采用直径2.5 m钢护筒成孔，承台以下钢护筒为永久护筒，长5 m，护筒范围桩径2.5 m，其余范围桩径为2.0 m。

承台后8 m范围及承台以下土体采用水泥搅拌桩(浆喷桩)进行处理，水泥搅拌桩(浆喷桩)桩径0.5 m，桩长13 m，纵横向间距1.3 m，交错布置。承台范围土体加固示意图见图4。

图4 承台范围土体加厚示意图(单位：m)

4 结语

本桥已顺利建成通车。在桥梁设计建造过程中，通过合理设计，配合施工方案，取得了良好的效果。

1) 斜腿刚构桥基础位于水中，采用施工期间临时设铰、成桥后固结的措施，既保证桥梁结构的耐久性和整体性，又可以显著减小和改善墩底及基础受力，保证斜腿及基础受力安全。施工临时铰的构造比较关键，应设置足够的连接钢筋和承压钢筋。

2) 对于一般地质条件下的斜腿刚构桥，通过合理设置群桩基础偏心距、采用抗推能力强的大直径桩、对承台位置一定范围土体进行浆喷桩加固等措施能有效控制桩身内力和桩顶位移，保证基础设计安全。