黃 浩, 吳志剛

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概述

某大橋位于昆侖山腹地低山河谷區(qū)，上跨“V”形河谷及規(guī)劃水庫(kù)，當(dāng)?shù)氐卣鹆叶葹?.2g，海拔高度為2 450～2 500 m。測(cè)量時(shí)水位為2 278.52 m，水庫(kù)規(guī)劃蓄水位為2 440 m。原施工圖設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)采用5×40 m(T梁)+2×100 m(T構(gòu))大橋跨越規(guī)劃水庫(kù)，最大墩高為161 m，采用空心薄壁墩，如圖1所示。原設(shè)計(jì)方案上部T構(gòu)采用懸臂施工，全橋共劃分為26個(gè)懸澆節(jié)段，項(xiàng)目總體施工工期較長(zhǎng)。若按原設(shè)計(jì)方案，該項(xiàng)目無(wú)法在既定工期內(nèi)完工。

圖1 大橋橋型布置圖(單位：cm)

本項(xiàng)目所在地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，地震烈度高。該橋?qū)拐鹁葹?zāi)、經(jīng)濟(jì)、國(guó)防具有重要意義，在庫(kù)區(qū)蓄水后一旦橋墩發(fā)生震害將幾乎無(wú)法修復(fù)。為了確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全并兼顧上部結(jié)構(gòu)的施工工期，擬將本項(xiàng)目變更為抗震性能優(yōu)越、施工工期可控的鋼結(jié)構(gòu)橋梁。

2 變更總體方案研究

該橋位所在地貌單元為低山河谷區(qū)，地表無(wú)植物發(fā)育，總體地勢(shì)起伏，整體坡度為30°～73°。邊坡南側(cè)臨崖，基巖裸露，北側(cè)含有靜水沉積泥質(zhì)夾層的塊石膠結(jié)松散堆積體，整體呈“U”形。原設(shè)計(jì)主橋?yàn)榱吮苊庠谀习秱?cè)陡坡上設(shè)置橋墩，采用5×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+2×100 m T形剛構(gòu)。原設(shè)計(jì)1～4號(hào)墩所處岸坡的坡度相對(duì)較緩，5號(hào)墩處于陡坡上，6號(hào)墩位于谷底。

由于原設(shè)計(jì)6號(hào)主墩樁基已完成施工，承臺(tái)已完成鋼筋綁扎及部分混凝土澆筑工作，因此大樁號(hào)側(cè)100 m橋跨已確定。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果顯示,既有5號(hào)墩前后各30 m范圍內(nèi)岸坡均較為陡峭，若向大樁號(hào)側(cè)移動(dòng)20 m，則下部結(jié)構(gòu)施工影響喀拉喀什河行洪過(guò)流斷面；若向后移動(dòng)20 m，5號(hào)墩仍處于陡坡上，下部結(jié)構(gòu)施工難度無(wú)顯著改善，且會(huì)增加上部結(jié)構(gòu)頂推難度，增加工程投資。因此5號(hào)墩至6號(hào)墩間的橋梁跨度維持原設(shè)計(jì)采用的100 m跨徑。

適用于主跨100 m頂推的上部結(jié)構(gòu)主要有連續(xù)鋼箱梁及連續(xù)鋼桁梁方案。鋼箱梁方案主要受運(yùn)輸方案及現(xiàn)場(chǎng)焊接條件限制，否則從施工的便利性、經(jīng)濟(jì)性、施工工期等方面均較鋼桁架方案有較大優(yōu)勢(shì)。鋼桁架方案總用鋼量比鋼箱梁方案多出約1 000 t。兩種方案的比較具體見(jiàn)表1。

表1 上部結(jié)構(gòu)方案比較表

3 結(jié)構(gòu)體系研究

傳統(tǒng)頂推施工橋梁在頂推就位后，一般采用支座與下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。而目前國(guó)內(nèi)已建成的超高墩橋梁，由于墩身較柔，為了提高墩身的穩(wěn)定性，均采用剛構(gòu)體系。為了進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)體系對(duì)橋梁受力的影響，本次方案設(shè)計(jì)對(duì)墩梁固結(jié)、墩梁鉸接、連續(xù)梁支撐方案進(jìn)行了比選，主要比較橋梁彈性狀態(tài)下整體穩(wěn)定性(表2)、整體升降溫荷載作用下梁端縱向位移。

表2 不同結(jié)構(gòu)體系橋梁整體穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比表

從表2可以看出，采用墩梁固結(jié)體系，彈性狀態(tài)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好，鉸接體系其次，連續(xù)梁體系穩(wěn)定系數(shù)最低。綜上所述，本橋結(jié)構(gòu)體系推薦高墩采用墩梁固結(jié)體系，橋臺(tái)、1號(hào)墩、2號(hào)墩采用減隔震支座支撐體系，橋臺(tái)位置處設(shè)置縱向黏滯阻尼器。

4 下部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本橋變更后的4號(hào)主墩最大墩高可達(dá)170 m，為超高墩。超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋一般處于峽谷地貌，由于峽谷風(fēng)效應(yīng)，瞬時(shí)風(fēng)速及紊流強(qiáng)度較大，高墩既要滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，又必須抵抗對(duì)設(shè)計(jì)起控制作用的強(qiáng)大風(fēng)荷載，因此超高墩設(shè)計(jì)須考慮以下幾個(gè)要點(diǎn)：

(1) 具有適當(dāng)?shù)目v向抗推剛度，以適應(yīng)縱橋向由于溫度、混凝土收縮徐變等引起的變形。

(2) 具有一定的橫向剛度，以抵抗橫橋向風(fēng)荷載，減小偏載引起的側(cè)向位移，提高行車(chē)舒適性。

(3) 橋墩形式應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定安全性。

(4) 應(yīng)具有簡(jiǎn)潔的外形，盡可能減小墩柱橫向迎風(fēng)面積、改善氣動(dòng)外形、減小風(fēng)載體形系數(shù)。

(5) 應(yīng)與環(huán)境相協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)形式應(yīng)方便施工[1]。

國(guó)內(nèi)目前的超高墩主要有整體箱型薄壁墩、雙肢薄壁空心墩、組合式橋墩(整體箱型薄壁墩+雙肢薄壁空心墩)、鋼管混凝土骨架外包混凝土式橋墩[2]。本橋上部結(jié)構(gòu)采用頂推施工鋼箱梁，與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋受力模式及構(gòu)造差別較大，傳統(tǒng)的雙肢薄壁墩及組合式橋墩不適用于本項(xiàng)目。

上部結(jié)構(gòu)采用固結(jié)體系鋼箱梁，可適應(yīng)溫度產(chǎn)生的變形。由于上部結(jié)構(gòu)較輕，采用傳統(tǒng)的空心薄壁墩即可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抗震要求。同時(shí)由于橋位區(qū)材料限制，經(jīng)比選本橋超高墩擬采用整體箱型薄壁空心墩。

對(duì)本橋3、4號(hào)橋墩(對(duì)應(yīng)原設(shè)計(jì)5、6號(hào)橋墩)擬采用空心薄壁墩結(jié)構(gòu)。對(duì)于箱型空心薄壁墩，初步擬定了3種截面尺寸，分別為矩形斷面、帶倒角的矩形斷面及八邊形斷面，對(duì)三者從結(jié)構(gòu)特性、抗風(fēng)性能、施工便利性角度開(kāi)展比選[3]。結(jié)合墩受力特點(diǎn)及橋墩構(gòu)造要求(墩頂布置頂推設(shè)備、就位后與墩頂進(jìn)行固結(jié)需求)，3號(hào)橋墩采用橫向等寬的八邊形斷面，順橋向采用1∶100向下放坡，4號(hào)橋墩采用橫向等寬、縱向變寬的八邊形斷面，縱橫向均按1∶100向下放坡,如圖2所示。

圖2 大橋3、4號(hào)橋墩墩底斷面圖(單位：cm)

5 上部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本橋鋼箱梁全寬9 m，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式采用單箱單室截面，具有截面整體性好、抗彎抗扭剛度大等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到本項(xiàng)目運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，若采用單箱單室截面則需要采用散件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后拼裝為整體。與我國(guó)南方地區(qū)的鋼箱梁施工條件不同，本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)焊接條件受限，應(yīng)盡量減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工程量，故傳統(tǒng)的整體鋼箱梁截面不適用于本項(xiàng)目。采用窄鋼箱梁、雙邊箱替代原有整體箱方案，則可在現(xiàn)有的條件下解決鋼箱運(yùn)輸問(wèn)題，并大幅減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，現(xiàn)場(chǎng)僅需完成橋面兩道縱向焊縫及頂板橫向焊縫即可，縱向節(jié)段間采用高強(qiáng)螺栓連接。窄鋼箱梁方案的主梁橫斷面如圖3所示。由于采用的腹板較多，用鋼量較常規(guī)的整體鋼箱梁略高。

圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：mm)

6 推薦施工方案

本橋高墩采用爬模施工，主墩內(nèi)設(shè)置勁性骨架。連續(xù)鋼箱梁擬采用頂推法架設(shè)。初步考慮在小里程側(cè)設(shè)置鋼箱梁節(jié)段拼裝平臺(tái)，在拼裝平臺(tái)進(jìn)行鋼導(dǎo)梁及鋼箱梁節(jié)段拼裝后逐節(jié)往前進(jìn)行頂推架設(shè)。由于本工程墩高較大，地形陡峭，地質(zhì)復(fù)雜，因此設(shè)置臨時(shí)墩難度較大，工程量及施工風(fēng)險(xiǎn)較高，故采用大跨度步、履式頂推架設(shè)鋼箱梁，橋墩間不設(shè)置臨時(shí)墩。

為減少狹谷風(fēng)載影響，考慮采用空腹式鋼導(dǎo)梁，導(dǎo)梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度55 m。根據(jù)施工階段驗(yàn)算，最大懸臂100 m時(shí)導(dǎo)梁前端下?lián)狭繛?.95 m。導(dǎo)梁前端設(shè)置多級(jí)臺(tái)階，以便于采用千斤頂頂升上墩。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文以某高墩大跨橋梁變更設(shè)計(jì)為工程背景，介紹了高墩大跨徑頂推施工鋼箱梁橋方案設(shè)計(jì)中的比選過(guò)程，主要比選結(jié)論如下：

(1)鋼箱梁方案主要受運(yùn)輸方案及現(xiàn)場(chǎng)焊接條件限制，否則從施工的便利性、經(jīng)濟(jì)性、施工工期等方面均較鋼桁架梁方案有較大優(yōu)勢(shì)。

(2)對(duì)于超高墩橋梁，推薦高墩采用固結(jié)體系，可有效提高橋梁的整體穩(wěn)定性。

(3)對(duì)于超高墩，采用八邊形斷面具有較好的經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)越的抗風(fēng)性能。

(4)在運(yùn)輸條件、現(xiàn)場(chǎng)焊接條件受限的環(huán)境下，采用窄鋼箱梁可有效解決運(yùn)輸問(wèn)題，減小現(xiàn)場(chǎng)焊接的工作量。