高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用與關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)
2015-05-04
高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用與關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)
摘要：目前我國公路建設(shè)正處在高速發(fā)展時期。連續(xù)剛構(gòu)橋作為山區(qū)首選橋型，橋墩高度不斷增加。通過連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嵗?，總結(jié)介紹其關(guān)鍵設(shè)計技術(shù),可為山區(qū)高墩橋梁的設(shè)計提供一定的借鑒。
關(guān)鍵詞：薄壁高墩；剛構(gòu)橋；薄壁高墩；高墩設(shè)計；穩(wěn)定
abstract: the highway construction in our country is in a period of rapid development now. as the preferred type of continuous rigid frame bridge in mountainous area, height of piers is increasing. through the application of the continuous rigid frame bridge, introduced its key design technology, the conclusion is significant for high-pier bridge design.
key words: thin-wall and high pier; rigid frame bridge; tall pier with thin wall; high pier design; stability
引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國公路建設(shè)正處在高速發(fā)展時期。1990年廣東絡(luò)溪大橋（l=180 m）是我國建成的第一座大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋，此后經(jīng)過十幾年的推廣應(yīng)用，連續(xù)剛構(gòu)橋己成為我國設(shè)計大跨徑60 m～300 m橋梁的主選橋型。高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁在山區(qū)高速公路建設(shè)中其墩高在不斷的刷新著記錄，橋墩高度已經(jīng)從原來的五六十米、七八十米到現(xiàn)在的百米以上。2008年建成的滬蓉國道主干線上的龍?zhí)逗犹卮髽驗?06+3×200+106 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，最大墩高178 m，居世界同類橋梁墩高之最。由中交第一路勘察設(shè)計研究院有限公司設(shè)計的陜西三水河特大橋，最大墩高達(dá)183 m，將該類橋型墩高記錄進(jìn)一步刷新。
大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的技術(shù)特點及應(yīng)用
簡支梁是橋梁中最簡單的型式，但跨越能力不大，隨著跨徑的增大，要不斷地通過犧牲截面材料來克服自重引起的彎矩。連續(xù)梁的應(yīng)用可以改善簡支橋的弊端，而連續(xù)剛構(gòu)橋的墩梁固結(jié)及高墩的柔度可適應(yīng)結(jié)構(gòu)由于預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮、徐變和溫度變化所引起的位移，能夠更好地滿足特大跨徑橋梁的受力要求，在橋型選擇中很有競爭力。
連續(xù)剛構(gòu)橋有很大的順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度，它利用高墩的柔度來適應(yīng)結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力混凝土收縮、徐變和溫度變化所引起的位移，能滿足特大跨徑橋梁的跨越及受力要求。連續(xù)剛構(gòu)橋較連續(xù)梁橋抗震性能好，水平地震力可均攤到各個橋墩上來承擔(dān)，而連續(xù)梁則需要設(shè)置制動墩或是采用價格較昂貴的專用抗震支座。墩梁固結(jié)，便于采用懸臂施工方法，取消了連續(xù)梁在施工轉(zhuǎn)換體系時所采用的墩上臨時固結(jié)措施，在一定條件下，連續(xù)剛構(gòu)橋具有用料省、施工便捷、養(yǎng)護(hù)費用低等優(yōu)點。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋相比，既保持了連續(xù)梁無伸縮縫、行車平順的特點，又有t型剛構(gòu)橋不設(shè)支座、施工方便等優(yōu)點。其投資比同等跨徑的斜拉橋、懸索橋要低，其高墩結(jié)構(gòu)的投資也比一直以來最便宜的簡支梁橋在同等條件下偏低或是相同。因此，預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋在近四十年間得到了較快地發(fā)展。最大跨徑從100 m左右發(fā)展到超過300 m，成為在海灣、深谷、大江大河上建造大跨度橋梁時廣泛采用的結(jié)構(gòu)型式之一。道路通過深溝峽谷或大型水庫，往往采用大跨度橋梁穿越。但受經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制，跨度不恰當(dāng)?shù)丶哟蟛⒉灰欢ㄓ欣?。若采用高橋墩，往往能使橋型更為?jīng)濟(jì)合理。一般而言，墩高是指基礎(chǔ)頂面至墩頂?shù)木嚯x，超過40 m的為高墩。襄渝線紫陽漢江大橋三號墩高達(dá)72.4 m，是70年代已建成的最高空心橋墩。1984年建成的西北罕井至東坡礦鐵路線的白水河一號橋，墩高達(dá)75 m，近年建成的侯月線海子溝大橋，最高墩達(dá)81 m。高橋墩的設(shè)計，逐步成為一個重點研究的問題。一般的橋墩，考慮縱橫兩個方向的外力，墩身截面尺寸受偏心和壓應(yīng)力的控制。但當(dāng)墩高超過30 m以后，穩(wěn)定性和墩頂位移量成了墩身截面需要考慮的控制因素。在此期間，建成了多種型式的混凝土高橋墩，但為了安全和施工方便，加之橋梁上部構(gòu)造多為鋼筋混凝土簡支梁，高墩均為重力式實體橋墩。隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，山區(qū)橋梁要求修建更多的高橋，橋墩的高度逐步增加，當(dāng)墩高超過40 m時，設(shè)計中要求的墩身尺寸已經(jīng)很大，混凝土數(shù)量很多，實體墩已顯得很不經(jīng)濟(jì)。為解決這一弊端，出現(xiàn)了空心墩，同時由于施工技術(shù)不斷發(fā)展，促進(jìn)了空心墩的推廣，經(jīng)過一些科學(xué)研究、模型試驗、實橋測試，說明了空心墩有效的實現(xiàn)了橋墩的輕型化，可適用于很高的橋墩。隨后薄壁墩的出現(xiàn)，不僅方便施工，而且進(jìn)一步省功省料，降低了工程造價。隨著橋梁建設(shè)不斷向西部和山區(qū)發(fā)展，高墩數(shù)量在迅速加大，施工能力不斷發(fā)展，相繼又開發(fā)了爬模、翻模的施工技術(shù)。
百米以上超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋，其設(shè)計除進(jìn)行傳統(tǒng)的應(yīng)力與強(qiáng)度控制外，更關(guān)鍵的因素有：超高墩穩(wěn)定、風(fēng)載效應(yīng)、橫橋脈動風(fēng)引起的抖振以及橫橋向抖振而導(dǎo)致的行車舒適性及服務(wù)能力的下降、地震響應(yīng)等。對于墩高在50 m以上的彎連續(xù)剛構(gòu)，因為采用了懸臂施工技術(shù)，同時受空心薄壁高墩，薄壁箱梁和曲率的影響，其整體、局部穩(wěn)定性已經(jīng)成為影響橋梁結(jié)構(gòu)施工、運營安全的主要因素。按照傳統(tǒng)的特征值屈曲理論進(jìn)行分析將產(chǎn)生較大偏差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)偏于不安全，因此有必要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性的穩(wěn)定分析。
高墩穩(wěn)定與設(shè)計
高墩連續(xù)剛構(gòu)橋一般地處大型峽谷地區(qū)，由于風(fēng)效應(yīng)，瞬時風(fēng)速及紊流強(qiáng)度較大，因此高墩既要滿足穩(wěn)定性要求，又必須抵抗強(qiáng)大的、對設(shè)計起控制作用的風(fēng)荷載，因此采用如下高墩設(shè)計思路[1]：
?。?）橋墩應(yīng)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；
?。?）為抵抗橫橋向風(fēng)荷載，減小偏載引起的側(cè)向位移，提高行車舒適性，墩柱橫橋向剛度應(yīng)設(shè)計得較大；
?。?）無論是在懸臂施工階段還是運營階段，橫橋向風(fēng)荷載均起控制作用，應(yīng)盡可能減小墩柱橫向迎風(fēng)面積、改善氣動外形、減小風(fēng)載體形系數(shù)；
（4）高墩一般采用滑?；蚺滥Ｊ┕ぃ瑥氖┕さ谋憬莩霭l(fā)，宜采用簡潔的形狀；
（5）山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋體量巨大，景觀效果突出，墩形選擇應(yīng)與環(huán)境相協(xié)調(diào)。
高墩連續(xù)剛構(gòu)橋墩一般采用整體式和分離式，由于墩較高，多為薄壁箱形截面。單肢箱形截面具有強(qiáng)大的抗彎、抗扭剛度，但箱形截面具有較大的縱向抗推剛度，適應(yīng)結(jié)構(gòu)體系縱向變形的能力較差，為了在懸澆階段提供足夠安全的抵抗縱向不平衡彎矩的作用，需要較大的縱向尺寸，而此時較大的抗推剛度導(dǎo)致體系在收縮、徐變、溫度變化等作用下產(chǎn)生較大的內(nèi)力，對墩柱、基礎(chǔ)均產(chǎn)生較大的影響。
雙肢柱可以很好地適應(yīng)縱向變形，一般用于墩高50 m以內(nèi)的懸臂施工連續(xù)剛構(gòu)橋，是非常經(jīng)典的墩柱形式，我國270 m虎門輔航道橋、澳大利亞260 m gateway橋均采用這種形式，雙肢柱相對單箱單肢柱具有如下優(yōu)點：
?。?）在縱向抗推剛度相當(dāng)，適應(yīng)體系溫度、混凝土收縮徐變能力相當(dāng)?shù)那疤嵯拢商峁┻h(yuǎn)大于單肢單箱墩柱的總體抗彎剛度，為懸澆階段提供足夠安全的抵抗不平衡荷載的能力；
?。?）縱向抗推剛度容易調(diào)整，可以通過調(diào)整單肢截面、系梁間距、系梁截面剛度等手段，較自由地調(diào)整縱向抗推剛度，減小由于溫度、混凝土收縮徐變等產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力；
?。?）對一聯(lián)多跨的適應(yīng)性較好，可在保持柱頂幾何尺寸不變的前提下調(diào)整不同高度墩柱的剛度，適應(yīng)全聯(lián)體系的受力要求，保證箱梁0號及各懸臂施工節(jié)段劃分不變，簡化設(shè)計與施工，保持結(jié)構(gòu)的整體景觀協(xié)調(diào)；
（4）雙肢柱對橫風(fēng)的迎風(fēng)面積較小、風(fēng)載體形系數(shù)小，對抵抗山區(qū)峽谷橫風(fēng)有利；
?。?）在墩柱工程量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，雙肢柱縱向間距較大，減小了上構(gòu)箱梁的凈跨徑，減小了箱梁的受力，上構(gòu)相對經(jīng)濟(jì)。
?。?）雙肢薄壁箱形墩柱可通過增設(shè)系梁、或調(diào)整系梁的剛度、間距來適應(yīng)成橋后連續(xù)剛構(gòu)體系的需要，而在懸臂施工階段，則可搭設(shè)柱間臨時連接，臨時增大縱向剛度以滿足施工的需要。
此外，合理的薄壁墩的壁厚、橋墩剛度和局部穩(wěn)定問題都是在設(shè)計高墩連續(xù)剛構(gòu)橋時需要考慮的因素。
結(jié)論
高墩連續(xù)剛構(gòu)橋高墩的選型、設(shè)計往往是該類橋梁設(shè)計的關(guān)鍵問題，一般采用雙肢墩柱，可以有較大的設(shè)計裕度。對薄壁式墩，可以根據(jù)不同的約束條件，通過限制寬厚比而使局部穩(wěn)定問題不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。
參考文獻(xiàn)
[1] 彭元誠，方秦漢，李黎. 超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)[j]. 橋梁建設(shè). 2006(4): 30-33.
