張謙

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 引言

隨著我國(guó)橋梁建造技術(shù)的高速發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)形式的橋梁早已遍布江河湖海。其中預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋作為一種古老的結(jié)構(gòu)體系，由于具有受力性能好、結(jié)構(gòu)剛度大、行車平穩(wěn)舒適、后期養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在高速公路橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。一般情況下，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主跨不超過200m，突破該跨徑后，自重引起的彎矩占比不斷增大，結(jié)構(gòu)承載效率顯著降低，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)增加，且跨中梁體過度下?lián)蠁栴}突出，易誘發(fā)腹板斜向裂縫和頂?shù)装蹇v橫向裂縫等橋梁病害[1]。

表1 典型大跨剛構(gòu)主跨下?lián)狭?/p>

若要進(jìn)一步提升預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的跨越能力，從結(jié)構(gòu)體系上予以優(yōu)化是一種直接且高效的方式。一種思路是采用鋼－混結(jié)構(gòu)，即在跨中一定梁長(zhǎng)范圍內(nèi)采用輕質(zhì)高強(qiáng)的鋼箱替代混凝土梁，這樣可有效減小恒載彎曲效應(yīng)，降低主梁根部彎矩，提升跨越能力。但鋼－混結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于結(jié)合部位的構(gòu)造與受力較為復(fù)雜，工程造價(jià)增加。

另一種思路是，借鑒拱橋傳力模式，形成拱梁組合受力體系，即空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋。預(yù)應(yīng)力混凝土空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋主要由橋墩、空腹段上弦、空腹段下弦、實(shí)腹段箱梁四部分組成[2]?？崭苟紊舷孪遗c橋墩形成閉環(huán)三角區(qū)，上弦為預(yù)應(yīng)力混凝土偏心受拉構(gòu)件，下弦和橋墩為混凝土偏心受壓構(gòu)件。該體系可以充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，挖空的三角區(qū)可有效減小跨中實(shí)腹段長(zhǎng)度、節(jié)省材料、降低自重，提高結(jié)構(gòu)承載效率，從而實(shí)現(xiàn)跨越能力的提升。

圖1 鋼－混結(jié)構(gòu)體系示意

圖3 主橋橋型總體布置圖（m）

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

六枝特大橋位于構(gòu)造侵蝕—溶蝕中山地貌區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s。主橋橫跨北北西的老鴉河谷，河谷呈U 字形，河床寬度在50m～70m，兩岸均未見階地，流量暴漲暴落，屬典型山區(qū)峽谷河流特征，不具備通航條件。兩岸谷坡地形較陡，呈35～65°自然坡角。

主橋上構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土空腹式連續(xù)剛構(gòu)箱梁，橋跨布置為166m+3×320m+166m，單幅橋?qū)?6.55m。

6～9 號(hào)主墩采用變截面空心雙肢薄壁墩，5 號(hào)過渡墩采用變截面空心薄壁墩、10 號(hào)過渡墩采用等截面空心薄壁墩，樁基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁[3]，總體布置如下。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用C60 混凝土，墩頂處高40.5m，跨中處高5.0m，底緣線采用2.5 次拋物線。下弦斜腿部分為箱型等截面，梁高8.0m，寬8.5m，頂板厚0.8m，底板厚1.0m，腹板厚0.95m。上弦采用單箱單室截面，標(biāo)準(zhǔn)斷面梁高6.5m，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)4.025m，懸臂端部厚0.2m，根部0.80m，頂板厚0.32m，底板厚0.32m，腹板厚0.95m；上弦設(shè)六個(gè)節(jié)段通過二次拋物線過渡到梁高8m，與下部斜腿交匯形成整體。

圖4 空腹段上弦斷面（cm）

圖5 空腹段下弦斷面（cm）

主橋上部結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，全部采用φs15.2的鋼絞線，搭配金屬波紋管。

主墩采用C60 混凝土，墩高分別為163m、145m、163m 和106（91）m，變截面空心雙肢薄壁墩，順橋向6m，壁厚1.0m，橫橋向由9.1m 按1%坡度變寬至墩底，壁厚1.25m。

圖6 主墩標(biāo)準(zhǔn)斷面（cm）

2.3 主要計(jì)算結(jié)果

利用MIDAS 建模，采用平面桿系有限元計(jì)算方法對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)靜力驗(yàn)算。對(duì)于主橋墩柱、箱梁、斜腿、臨時(shí)塔等，采用梁?jiǎn)卧M，臨時(shí)扣索則采用桁桿單元模擬，離散后的空間模型如圖7所示。

圖7 施工和成橋狀態(tài)下離散模型

主要計(jì)算結(jié)果如下：

（1）實(shí)腹段箱梁正截面抗彎、斜截面抗剪承載力，以及空腹段上弦偏心受拉、下弦偏心受壓承載力均滿足要求。

（2）頻遇組合下，實(shí)腹段箱梁、上弦和下弦均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，正截面抗裂驗(yàn)算滿足要求。主梁最大主拉應(yīng)力0.026Mpa，斜截面抗裂符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG 3362-2018 中σtp≤0.4ftk=1.14MPa 規(guī)定。

（3）標(biāo)準(zhǔn)值組合下，實(shí)腹段箱梁和上弦上緣最大壓應(yīng)力為-18.25MPa，下緣最大壓應(yīng)力為-16.05MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的σkc+σpt≤0.5fck=19.25MPa 要求。實(shí)腹段箱梁和上弦最大主壓應(yīng)力為-18.25MPa，符合規(guī)范σcp≤0.6fck=23.1MPa 的規(guī)定。

（4）主跨活載(汽車)頻遇值產(chǎn)生最大豎向向下位移為6.31cm，考慮長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)1.4 后位移為8.83cm，δ/L ＝1/3622<1/600，剛度驗(yàn)算滿足要求。

（5）主墩偏心受壓承載能力滿足要求，頻遇組合下，最大裂縫寬度0.167mm，小于規(guī)范限制0.2mm。

圖8 內(nèi)力、應(yīng)力及撓度驗(yàn)算圖

3 臨時(shí)索張拉力設(shè)置與拆除時(shí)機(jī)

大橋三角區(qū)采用雙層掛籃雙層扣掛法施工，即在主墩墩頂設(shè)置臨時(shí)鋼索塔，利用上弦掛籃懸澆上弦梁段，張拉臨時(shí)拉索；利用下弦斜向行走掛籃澆筑下弦梁段，張拉臨時(shí)扣索；并保持上弦滯后下弦2 個(gè)施工節(jié)段，直至匯合段[4]。

圖9 三角區(qū)施工示意

該施工方法優(yōu)點(diǎn)在于上下弦施工相對(duì)獨(dú)立，工程質(zhì)量易控制，施工風(fēng)險(xiǎn)小，工期短。其施工控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)下弦扣索與上弦拉索張拉力的確定，以及二者拆除時(shí)機(jī)[5]。

通過建模分析，發(fā)現(xiàn)施工階段主梁最大拉、壓應(yīng)力均出現(xiàn)在空腹段三角區(qū)，下弦根部和交匯處截面下緣容易出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，而上弦1#～2#節(jié)段則易出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，下圖顯示了在不同扣索力和拉索力下三角區(qū)的最大應(yīng)力值變化趨勢(shì)，壓力取負(fù)值，拉力取正值。

圖10 施工階段下弦索力對(duì)三角區(qū)應(yīng)力影響

圖11 施工階段上弦索力對(duì)三角區(qū)應(yīng)力影響

可見臨時(shí)扣索（拉索）張拉力對(duì)空腹段三角區(qū)受力影響很大。扣索（拉索）與斜拉橋的斜拉索有相似之處，都可以通過調(diào)整索力改善關(guān)鍵位置結(jié)構(gòu)受力，不同之處在于，空腹式剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)自重和剛度較大，臨時(shí)扣索（拉索）可調(diào)節(jié)內(nèi)力幅值有限，數(shù)據(jù)顯示有效影響范圍僅限于三角區(qū)，對(duì)于匯合段之外的實(shí)腹段內(nèi)力及變形影響非常小。

因此，確定扣索（拉索）張拉力的原則應(yīng)該是保證施工時(shí)三角區(qū)的穩(wěn)定性以及上下弦拉、壓應(yīng)力不超過規(guī)范限值。六枝河特大橋下弦扣索（X1～X13）索力范圍在2200～2500kN，上弦拉索（S1～S12）索力范圍在2000～2700kN，施工階段最大拉應(yīng)力為0.7MPa，最大壓應(yīng)力為-15.9MPa，穩(wěn)定系數(shù)9.0，滿足規(guī)范要求。

圖12 施工階段三角區(qū)一階屈曲模態(tài)

針對(duì)上弦拉索拆除時(shí)機(jī)問題，共設(shè)五個(gè)工況進(jìn)行研究分析，即分別考慮在匯合段外第15#、20#、25#、30#、35#節(jié)段予以拆除，相關(guān)數(shù)據(jù)詳見表2，壓力取負(fù)值，拉力取正值，撓度向上為正，向下為負(fù)。

表2 不同工況主梁應(yīng)力及變形（MPa，mm）

研究結(jié)果表明：

（1）拉索拆除的時(shí)機(jī)對(duì)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力和變形影響較小，對(duì)施工階段的影響較大。

（2）在施工階段下，隨著拆除時(shí)間推遲，三角區(qū)拉應(yīng)力逐漸由3.4Mpa 減小到1.0Mpa，而壓應(yīng)力在30#節(jié)段以前，并無明顯變化。同時(shí)注意到，施工階段最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在交匯處下緣，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上弦1#～2#節(jié)段上緣或下緣。

（3）在運(yùn)營(yíng)階段下，隨著拆除時(shí)間推遲，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力由0.2Mpa 逐漸減小為-0.2Mpa 壓應(yīng)力，且25#節(jié)段后保持不變，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在次邊跨31#節(jié)段上緣；最大壓應(yīng)力始終為-18.3Mpa，出現(xiàn)在次邊跨25#節(jié)段下緣。

（4）成橋狀態(tài)下，中跨、次邊跨和邊跨的跨中撓度變化幅值較小。

可見，延后拆除上弦拉索對(duì)結(jié)構(gòu)受力是有利的，但考慮到施工過程中，施工設(shè)備、材料堆放、人員通行等往往受到上弦拉索和臨時(shí)塔的限制，又需要盡可能早地將其拆除。因此，確定上弦拉索拆除時(shí)機(jī)的原則應(yīng)該是保證施工時(shí)三角區(qū)的應(yīng)力水平合理，同時(shí)又不影響后續(xù)施工，達(dá)到二者平衡。六枝河特大橋最后確定為30#節(jié)段施工完成后拆除上弦拉索及臨時(shí)塔。

下弦臨時(shí)扣索對(duì)結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定有利，且不影響懸澆段施工，因此考慮在合龍完成之后再予以拆除。

4 合龍順序分析

大跨徑多孔空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍順序在整個(gè)施工過程中占有重要地位，因合龍順序的不同，結(jié)構(gòu)在混凝土收縮徐變和溫度效應(yīng)的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力差別，且成橋線形與之關(guān)聯(lián)較大。六枝特大橋按照順橋向可依次劃分為邊跨、次邊跨和中跨，詳見圖3。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，并結(jié)合現(xiàn)有的常規(guī)施工方案，本橋共設(shè)定三種合龍工況進(jìn)行分析[6～7]，見表3。

表3 合龍工況劃分

4.1 成橋應(yīng)力分析

通過建模計(jì)算，將具有代表意義的截面上下緣應(yīng)力匯總?cè)缦拢瑝毫θ∝?fù)值。

表4 成橋狀態(tài)下主梁應(yīng)力（MPa）

結(jié)果表明：

主梁應(yīng)力受合龍順序影響較小；在三種合龍工況下，結(jié)構(gòu)均處于全截面受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力儲(chǔ)備良好。

4.2 成橋線形分析

將成橋狀態(tài)下，三種工況對(duì)應(yīng)的主梁撓度（僅考慮恒載）匯總，如圖13所示，撓度向上取正，向下取負(fù)。

圖13 成橋狀態(tài)下主橋撓度值

可見三種工況下，主梁撓度變化規(guī)律大致相同，即跨中大，墩頂小，符合基本力學(xué)常識(shí)。但合龍段撓度值存在較大差異，找出不同合龍順序下合龍段最大撓度值，見表5。

表5 成橋狀態(tài)下合龍段最大撓度值（mm）

數(shù)據(jù)顯示：

合龍順序?qū)淆埗卫鄯e線形撓度有較大影響，工況三的絕對(duì)撓度值最大，工況二撓度值較為平均，工況一邊跨合龍段撓度值最小。

最早施工的合龍段撓度值也相應(yīng)最小，這是由于先合龍的橋跨在后續(xù)施工過程中可以發(fā)生變形而抵消掉一部分預(yù)應(yīng)力等引起的上拱。

另一方面，由于合龍順序影響成橋線形，因此施工階段各節(jié)段的立模標(biāo)高也需隨之調(diào)整，設(shè)置相應(yīng)的預(yù)拱度，減小合龍段兩側(cè)的標(biāo)高差，確保主橋順利合龍。

由表6數(shù)據(jù)可知，工況一合龍段兩側(cè)的位移差值相對(duì)較小，最有利于施工控制。

表6 合龍段兩側(cè)位移差值（mm）

綜上，通過對(duì)比三種合龍順序下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和撓度，六枝特大橋最終合龍方案確定為邊跨—次邊跨－中跨，該方案結(jié)構(gòu)受力合理，線形較好，施工控制最為有利。施工時(shí)若因?yàn)槠渌蚋暮淆埛桨?，則需要相應(yīng)調(diào)整合龍段預(yù)應(yīng)力、頂推力和預(yù)拱度，以保證大橋受力和線形滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文依托六枝特大橋?qū)嶋H工程案例，對(duì)大跨徑多孔空腹式連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究和探索。文中提供了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和計(jì)算數(shù)據(jù)，為同類型橋梁的關(guān)鍵構(gòu)造設(shè)計(jì)、大橋施工控制提供了很好的借鑒，一定程度上推動(dòng)了這種在200～400m 跨徑極具競(jìng)爭(zhēng)力的新型橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展。