跨越山区水库航道的公路桥梁结构与持久性设计

2022-11-20周骏秦涛

交通世界 2022年26期

周骏，秦涛

（南昌市公路勘察设计院，江西南昌 330077）

0 引言

跨越山区水库的公路桥梁工程，由于面临相对复杂的场地条件，设计难度大，其设计难点包括布线、桥型、航道净空维持、防锈蚀、防开裂、结构细节、持久性等。某跨越山区水库桥梁工程处于山峰高耸，沟谷发育，水陆相间，地质地形复杂，工程面临深水基础，水上潮湿环境等，桥梁钢混凝土结构面临筋体锈蚀和防范浇筑件开裂等技术难题。本文针对以上技术难点，提出了一系列有针对性的技术处理方案，可为同类工程提供技术参考。

1 工程概况

某跨越库区Ⅳ级航道，通航净空为55×8m的公路桥梁，桥面标高175m，总跨越距离260m，桥面宽9.0m，采用双向双车道。经过现场勘测和技术论证，工程设计决定采取满足航道净空要求、与航道轴线维持合理适用的交叉角、减少桥墩数量平衡因主跨墩高程较大可能带来的较大工程浇筑量、结构合理、线形流畅等设计思路，在下述两个初期提交的桥位设计方案中选择方案二作为本桥的桥位设计方案。两个初期桥位设计方案为：

桥位方案一：两岸跨越距离270mm，桥轴线与所跨越河道的中心线呈90°交角，起点与所交接的公路线路呈62°交角，该平交口西侧行驶平顺性不足，转弯半径相对过小。

桥位方案二：两岸跨越距离262mm，桥轴线与所跨越河道的中心线呈65°交角，起点向西移位10m，终点向东移位110m，起点与所交接的公路线路呈90°交角，该平交口西侧交通比较顺畅，平交口东西两侧的转弯半径均为15m，从而一定程度上降低了工程规模。

2 桥型方案设计

2.1 预应力混凝土变截面刚构连续梁桥

预应力混凝土变截面刚构连续梁桥具有如下技术优势：

（1）全预应力结构设计，桥梁整体刚度高，跨越能力好，适应地形能力突出，运用于跨越开阔河面。

（2）上部结构可采取悬臂挂篮筑浇施工，工艺成熟，操作相对简单。

（3）对存在较大梁结构落差的桥梁工程较为适用，桥长设计相对俭省，利于控制工程整体造价。

（4）应用于山区跨水大型桥梁工程中，可在山间结构中体现出一种颇具气势的工程建筑美感。

（5）结构简洁，结构稳定性和整体刚度优异，成桥养护费用相对较低。

预应力混凝土变截面刚构连续梁桥的不足：

（1）水下基础工程施工面临较大操作难度，且工期对水库水环境和航道通航造成一定的影响。

（2）高墩变截面刚构，造型一定程度呆板，且影响工程美学效果。

2.2 混凝土钢管中承式桁架拱桥

混凝土钢管中承式桁架拱桥具有以下技术优势：

（1）较充分发挥和利用山体场地提供拱脚水平抗力，结构整体应力配置协调。

（2）拥有柔和优美的工学线条，跨越水面，飞渡于青山绿水间，与环境景观融合成一体，工程景观效果较好。

（3）不存在深水墩，凭一跨越河，有良好的通视性，利于航道驾驶瞭望、保持航向和航运过行安全。

（4）工艺成熟，施工操作简单，工期不受通航管制。

（5）防锈蚀能力强，构件检查和更换容易，后期养护费用降低。

混凝土钢管中承式桁架拱桥的不足：

（1）桁架结构，厂制运至现场焊接和拼装，拱高和跨距大，浮吊控制难度高，尤其是空中对接拱轴线形，操作相对困难。

（2）钢结构防锈腐技术条件要求相对较高，用于湿度较大的跨水库桥梁工程，不可避免需要经常涂装或更换锈蚀损坏部件，成桥养护的后期费用相对较高。

（3）抵御横向扭力的功效相对不足，大型单跨，虽然不必深水设墩，但较大跨径属柔性结构，在跨越山区水库局部气旋涡流效应的影响下，增加结构安全保障工作量。

经过技术比较，综合布线交叉角、航道净空、高墩工程浇筑量平衡、结构稳定性、防范筋体锈蚀、防结构开裂、工艺成熟度、养护经济性等方面综合考虑，预应力混凝土变截面刚构连续梁桥结构更适合本工程的场地条件和经济适应型工程需求，因此案例跨越山区水库航道桥梁工程最终决定采用预应力混凝土变截面刚构连续梁桥结构设计。

3 跨越库区桥梁结构设计

3.1 上部结构设计要点

3.1.1 上部结构设计

采取变截面刚构箱梁结构设计，本工程桥面标高175m，水底与主墩桥面最大高差达52.5m，如果采取支撑座连接的非刚构箱梁结构设计，支撑座区域极易发生结构损坏，进而影响整个梁体的使用周期。而采取变截面刚构箱梁结构设计，该结构防御活载的安全性储备高，抗扭能力强，整体稳固性好。

3.1.2 布跨设计

两岸距离在260m左右，采用（68.0+120.0+68.0）m三跨刚构桥梁结构设计，边中跨比0.567，两侧为重力桥台。本桥的两岸不存在落差，故采取上坡0.5%和下坡-0.5%设计。背墙向梁板弯曲、梁底支座的找平、配置固定支撑座、低侧主墩与梁板加强纵横限位。

3.1.3 箱体梁设计

单室单箱截面，主墩区域箱形梁高7.0m，跨中箱形梁高3.0m，底板宽5m，悬臂长2m，底板下缘采取二次抛物线渐变设计。箱体梁底板外轮廓线按二次抛物线设计，底板厚度由30cm变为105cm，箱体梁顶板厚度为25cm，箱体梁腹板设计厚度为50cm。主跨75m以上的悬浇变截面箱体梁按A级预应力结构标准捆扎。考虑案例桥跨越水库，场地环境的相对湿度较大，钢筋在潮湿环境下容易生锈，影响结构持久性，本工程决定采取全预应力标准设计，以保证结构持久性。箱体梁纵梁锚下拉张采取1860MPa低松弛强度钢绞线，应力控制按0.75fpk，纵方向钢束单股径15.2mm，大吨位组锚系统选用塑料螺纹管成孔，采取真空注浆工艺施工。控制预应力钢束，在真空注浆基础上智能拉张，以保证拉张质量。

3.1.4 下部结构设计

主墩基础选用6个直径为2.0m的组桩连接承台，承台规格设计为8.2m×13.2m×3.5m。为保证嵌岩墩有效支承主墩，桩基需打入中度风化岩层16m左右。桥台选用扩大基础的U形桥台，基础承载力计算为350kPa。桥台基础位处凝灰岩强风化层中，该处岩层承载力为500kPa，满足承载力需求，控制基础上方的覆土厚度。

3.2 下部结构设计要点

3.2.1 桥台选型

本工程桥台所在区域系凝灰岩地质，地层埋藏比较浅，存在局部岩体裸露。区域岩体主要为强、弱风化凝灰岩，强风化凝灰岩的承载强度为500kPa左右，弱风化凝灰岩的承载强度在350kPa左右，凝灰岩地层力学强度符合工程需要。为此桥台设计选用重力桥台方案，基桩打入强弱风化凝灰岩地层，以获得足够的基桩承载力需求。

3.2.2 墩结构设计

桥墩选型可以在Y形薄壁墩、空心墩和长方薄壁墩中选择，3种墩型的功效优势各有特点。方形桥墩不如Y形薄壁桥墩美观，但该桥宽度较窄，使用长方形桥墩更合适。空心墩虽然也是方形墩，墩身也比较轻，但是外观看来过于笨重。而长方形墩较薄，在满足承载力基础上，其外形相对比较轻巧。考虑到本项目的山区场地条件和跨越水库航道的具体情况，同时兼顾实用性和经济性，本工程决定采取长方形薄壁墩设计。相对厚重的变截面箱体梁下部，配置以双排长方形薄壁墩，其整体一定程度可以产生出轻巧的美感。

3.2.3 承台结构设计

单一增加基础体量来增强基础刚度，其功效不如通过桩顶嵌入承台，桩基嵌入岩层，以此限制桩结构自由度，从而整体增强基础刚度。本工程在承台结构设计上提出了两种设计方案。

方案一：承台位处正常水位以下50cm左右。借助一定的排水措施，可以有效地完成承台的现场浇筑施工，承台的整体应力状态比较协调，但是桩基打入岩层较深，河床以上部分需要钢护筒套护，外露段也相对较长。

方案二：位处水库中部，承台预制，河底装配。承台标高比较低，现场操作难度相对较大，并且存在较长一段墩体位处水中的情况，需安排排水施工。

承台的位置影响桩基和墩体的抗推刚度，从而影响整体连续刚构的应力状态。承台越低，墩体抗推的刚度需求越小，对上部结构越有利。承台配位设计对施工有密切影响，承台越深，施工操作的难度会越大，其造价也越高。所以合理设计承台的位置非常重要。考虑到结构整体受力和现场操作技术需求，本工程决定采取高桩承台浅水施工设计方案。本工程的主墩高差比较大，需要重视水平载荷的影响，故决定本次采取钻孔灌注桩组连接承台设计，钻孔灌注桩桩径为200cm，桩基打入岩层16.0m处，承台厚3.5m，以保证入岩嵌台的墩结构整体稳固。

4 施工工艺和混凝土结构持久性设计

4.1 施工工艺设计

变截面箱体梁可采取满堂支撑架现场浇筑和吊篮现浇两种施工方法。考虑到案例桥架设在水库上，水库底部与设计标高的高差约为52.5m，相对高差比较大，采取满堂支撑架现浇方案不可行，也不经济，因此上部结构选用挂吊篮悬臂现场浇筑。下部桩基施工采取钻孔注灌桩工艺。

4.2 结构持久性设计

库区浸水对钢混凝土结构的侵蚀影响不可低估，长期水浸泡，会加速石料、砂浆、混凝土等工程材料的老化速度，钢筋长时期浸泡会加速腐蚀，影响结构的持久性。跨水连续变截面刚构桥工程病害主要有：横向梁板超限裂隙、钢筋锈蚀裂隙、顶板下缘纵方向越限裂隙；齿块受拉损坏造成螺纹管外露。由以上病害可知，桥梁结构的持久性设计尤其重要，尤其是跨越山区水库桥梁，存在环境潮湿及墩高很高，容易引发以上病害，必须进行针对性的详细设计，以降低桥梁病害。

（1）钢筋锈蚀引发裂隙的防范设计

由于水库环境比较潮湿，钢筋容易发生锈蚀，锈蚀会引发一定程度的筋体膨胀，进而引发结构开裂。长时期与水接触并存在反复融冻循环过程的混凝土结构部件，应考虑融冻和环境影响。案例项目位处山区，横跨水库航道，山区温度比较低，区域年度最低气温在-3～2.5℃间，系属微冻潮湿区。为抵御融冻和锈蚀病害，工程部件的防水、防融冻、防锈蚀细节设计亦不可忽视，混凝土质量标准、钢筋护层厚度的配置，都需要符合相应的环境适应性设计标准。本工程的主梁腹板、墩体近水接水垂向面，按环境Ⅱ-C级别考虑设计，承台淋雨水平面按环境Ⅱ-D级别考虑设计。

（2）顶板下缘纵向裂隙及横向梁板超限裂隙的防范设计

顶板下缘纵方向超限裂隙主要是梁板横方向载承力不符合需求造成。需进行横断面典型框架设计计算，桥宽较大的需设计好预应力顶板配筋，窄桥宽的需设计好横桥向配筋，以保证断面规格符合需求。梁板的超限裂隙是因为应力不符合需求而引起的结构裂隙。梁板超限裂隙通常是由于顺桥方向的应力不符合需求造成。应做好全桥的应力计算，并且顺桥方向的配筋应配置在有效预应力宽度内，以保证配筋的横桥向抗裂保护作用有效发挥。

（3）齿块损坏致波纹管暴露的防范设计

齿块是现场浇筑变截面连续刚构桥易发应力集中的结构部位，因此在设计上，要防止单个钢束太大。单个齿块通常配置1～2个钢束，应控制钢束间隔距离，并预留锚垫间距和应力集中距离，防止过度应力集中。本工程的齿块拉张端按最小35.0cm标准控制间距，按22.0cm标准控制至齿块外缘的距离，以增强齿块的受力持久性。齿块应相应配置应力状态良好的钢筋，确保钢筋能够满足和抵御应力集中区域的应力状态。