愛華網(wǎng)淺談高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋
中鐵十四局集團(tuán)三公司延延高速項目部 任飛
摘要：本文結(jié)合延延高速黃河特大橋介紹了高墩大跨連續(xù)剛夠橋的發(fā)展歷程，結(jié)構(gòu)特性以及施工中的重點難點。
關(guān)鍵詞：連續(xù)鋼構(gòu) ；高墩 ；大跨；施工
1、發(fā)展歷程
在國外，伴隨著預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)和懸臂施工技術(shù)的發(fā)展， 20世紀(jì)60年代在T型剛構(gòu)橋的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一種新的橋型，連續(xù)剛構(gòu)橋。連續(xù)剛構(gòu)橋主梁為連續(xù)剛體，與薄壁墩固結(jié)而成，吸收了連續(xù)梁橋和T型剛構(gòu)橋的優(yōu)點。具有適應(yīng)性強(qiáng)、施工方便、易于養(yǎng)護(hù)、造型優(yōu)美、經(jīng)濟(jì)性好、行車舒適等優(yōu)點，自問世以來得到了迅速發(fā)展。
隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的增強(qiáng)，為了滿足交通運(yùn)輸?shù)男枰?，連續(xù)剛構(gòu)橋因其具有優(yōu)越的性能得到了廣泛的應(yīng)用。1990年建成了我國第一座跨徑為180m的廣州洛溪大橋。之后，相繼建成了黃石長江大橋（162.5+3×245+162.5）m、虎門大橋輔航道橋（150+270+150）m等一系列具有代表性的橋梁，將連續(xù)剛構(gòu)橋的建設(shè)推向新的高度。
近年來，高等級公路的建設(shè)逐步向西部延伸。那里地勢險峻，地形多為深溝、陡坡，對橋梁建設(shè)提出了更高的要求，因此出現(xiàn)了大量高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋。目前在國內(nèi)，主跨跨徑最大的為重慶石板坡長江大橋復(fù)線橋，跨徑為330米；墩高最高的為四川臘八斤溝特大橋，最大墩高182.5m。我項目部承建的延延高速黃河特大橋最大跨徑160m，最大墩高141m，無論從設(shè)計水平上，還是施工難度上都處于同類橋梁的領(lǐng)先水平。
隨著西部大開發(fā)的進(jìn)一步推進(jìn)和東部跨海連江工程的實施，連續(xù)剛構(gòu)橋的建造熱潮仍在繼續(xù)。并且隨著設(shè)計水平的提升和施工工藝的改善，以及在高原地區(qū)受地形環(huán)境的限制，為滿足建橋的實際需要，連續(xù)剛構(gòu)橋未來將會向著更大跨更高墩的方向發(fā)展。
2、結(jié)構(gòu)特點及力學(xué)特性
連續(xù)剛構(gòu)橋吸收了連續(xù)梁橋和剛架橋兩種橋型的特點，是一種組合體系橋梁。一般將橋跨結(jié)構(gòu)即主梁和墩臺整體相連的橋稱之為剛構(gòu)橋。由于墩梁之間采用剛性連接，在豎向荷載作用下，將在主梁端部產(chǎn)生負(fù)彎矩，跨中的正彎矩也會隨之減小，跨中截面尺寸也會相應(yīng)的減小；支柱在承受豎向荷載的同時也會承受彎矩和水平推力，是一種有推力結(jié)構(gòu)形式。
剛夠橋大多數(shù)位超靜定結(jié)構(gòu)，這就造成了在混凝土收縮，溫度變化，墩柱不均勻沉降等過程中產(chǎn)生附加內(nèi)力；在施工過程中的體系轉(zhuǎn)換過程中也會產(chǎn)生附加內(nèi)力。在跨徑較小的情況下一般選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式的剛構(gòu)橋，在大跨度橋梁中，經(jīng)常采用預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋。
高墩大跨連續(xù)剛夠橋是一種大跨徑預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)橋。在受力方面有著與一般剛構(gòu)橋相近的特性，但伴隨著跨徑的增大和墩高的增高，在受力方面也有著自己獨(dú)特的特征。墩梁固結(jié)，上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)共同承受荷載；采用柔性墩，允許墩柱有較大的位移，形成擺動支撐體系；多次超靜定結(jié)構(gòu)混凝土收縮、徐變、溫度變化等作用下產(chǎn)生的附加應(yīng)力會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。
3、橋部類型及其特點
3.1基礎(chǔ)
高墩大跨連續(xù)剛夠橋的基礎(chǔ)構(gòu)造形式與其他橋梁并無太大的區(qū)別，但其對地基的不均勻沉降量控制嚴(yán)格。一般而言根據(jù)橋位處的地址情況而定，經(jīng)常采用樁基礎(chǔ)。我項目部承建的黃河特大橋位于陜晉界，典型的U型河谷,陜西岸陡坡峭，黃河河底平坦，山西岸為梯田。橋址區(qū)地層主要為碎石土、粉砂、卵石土、新老黃土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。根據(jù)地層條件以及受力需要，采用樁基礎(chǔ)，主橋3#、9#墩為8根樁基，4#-8#墩均為24根群樁基礎(chǔ)。
由于本橋的跨徑較大墩高較高,從受力的角度考慮，混凝土承臺體積較大。4#-8#五個主墩承臺均為24.2m×15.8m×5m的大體積承臺，單個承臺混凝土方量達(dá)到1912m³，對大體積混凝土的施工提出了更高的要求。
3.2墩柱
高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的墩柱與連續(xù)梁共同承受內(nèi)力，且結(jié)構(gòu)內(nèi)力是按照主梁和橋墩的剛度比進(jìn)行分配的。如果橋墩的剛度大，則其所分得的內(nèi)力相應(yīng)的增大，墩頂處梁段處受力很大，既沒有起到降低墩頂彎矩的初衷，也不能充分發(fā)揮主梁的抗彎能力。同時，若剛度過大，縱橋向位移較小，不能有效的消除附加內(nèi)力引起的變形。因而，縱橋向剛度在滿足施工和運(yùn)營階段的穩(wěn)定性前提下要盡量?。粚τ跈M橋向剛度，隨著墩高的增高風(fēng)荷載逐漸成為控制橋梁內(nèi)力的主要因素，為了增強(qiáng)橫向穩(wěn)定性，橫向剛度需要大一點，用以抵抗傾覆。
高墩大跨的柔性墩，立面形式大體上分為以下三種。即單柱式薄壁墩，雙柱式薄壁墩和組合式墩柱。
（1）單柱式墩
單薄壁墩在墩位處只有一個截面形式為空心的矩形截面或箱梁截面的橋墩。單薄壁空心墩為四周閉合的截面形狀，其抗扭性能好，抗推能力強(qiáng)，但其柔性不如雙薄壁墩。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，成橋運(yùn)營階段其較大的抗推剛度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在收縮、徐變、溫度變化等作用下產(chǎn)生很大的內(nèi)力，對墩柱、基礎(chǔ)均產(chǎn)生不利影響，從而使得基礎(chǔ)墩柱的配筋顯著增加，導(dǎo)致下部構(gòu)造造價增加。單薄壁墩，多用在深谷和深水河流的高橋墩上，隨著墩高的進(jìn)一步增高其柔性也會有所改善，經(jīng)濟(jì)性能也有所改善。
（2）雙柱式薄壁墩
雙薄壁墩順橋向剛度較小，可以很好的適應(yīng)橋梁的縱向變形，一般用于墩高50m以內(nèi)的懸臂施工連續(xù)剛構(gòu)橋。采用雙薄壁墩可以有效的增加豎向剛度，抗推能力小允許的變位大，不僅可以有效的減小主梁墩頂?shù)呢?fù)彎矩，使得彎矩峰值出現(xiàn)在墩頂，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配更加合理。雙薄壁對橫向的迎風(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)更有利。但對于墩高大于50m，若采用此種墩形會增加施工的復(fù)雜性和難度，就會變的不經(jīng)濟(jì)。
（3）組合式橋墩
組合式橋墩上部采用雙薄壁，下部采用單薄壁空心墩，具有以上兩種橋墩形式的優(yōu)點。通過調(diào)整上部雙薄壁和下部單薄壁空心墩高度，可以獲得較好的縱向剛度和橫向剛度，從而滿足結(jié)構(gòu)在施工階段和運(yùn)營階段的受力要求。
延延高速黃河特大橋根據(jù)地形與現(xiàn)場實際情況設(shè)計的橋墩如下形式。如圖1所示。
圖1 黃河特大橋墩身形式示意圖
主橋橋墩4#-7#墩高分別為116m，140m，141m，120m。8#墩墩高62m。墩高大于100m的4、5、6、7號墩采用單薄壁空心墩；橫橋向?qū)捑鶠?.0米，順橋向4和7號墩為7.5米、5和6號墩為9.0米，壁厚順橋向0.9米，橫橋向0.7米。主橋8號墩采用雙薄壁空心橋墩；橫橋向?qū)?.0米，順橋向單薄壁2.5米，壁厚順橋向0.8米，橫橋向0.6米。橋墩中部設(shè)置橫系梁，增強(qiáng)橫向聯(lián)系，提高橫向剛度。橋墩單幅平面圖，如圖2所示。
圖2.14#-7#橋墩橫截面示意圖圖2.28#橋墩橫截面示意圖
3.3主梁
為了減小上部結(jié)構(gòu)的自重，增加跨度，減小上、下部結(jié)構(gòu)的工程量、增加截面的抗扭剛度，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)一般采用變截面箱梁。箱梁根部的高跨比為1/15—1/20，其中大部分為1/18；跨中的高跨比也在下降，橋的上部結(jié)構(gòu)趨于輕型化。橋型的梁底變化曲線一般按照1.5—1.8冪次的拋物線變化。頂板和底板是承受正負(fù)彎矩的主要工作部位，當(dāng)采用懸臂施工方法時，梁的下緣特別是靠近橋墩的截面承受很大的壓應(yīng)力。箱型截面的底板應(yīng)提供足夠大的承壓面積，發(fā)揮良好的的受力作用。一般情況下，箱梁底板厚度隨箱梁負(fù)彎矩的增大而逐漸加厚直至墩頂，以適應(yīng)受壓要求；箱梁頂板的厚度需要滿足橋面橫向彎矩的要求和滿足布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的要求。
延延高速黃河特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為88+4×160+88米預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，由一個單箱單室箱型斷面組成。箱梁根部高度為9.5米，跨中梁高3.5米，其間梁高按1.8次拋物線變化。箱梁頂板寬12.15米，底板寬7米，頂板厚0.3米，底板厚度由跨中0.32米按1.8次拋物線變化至根部1.1米，腹板分別為0.5米，底板厚1.3米，腹板厚0.8米。除橋墩箱梁內(nèi)設(shè)4道橫隔板外，其余中跨跨中各設(shè)2道橫隔板。橋面橫坡采用不同腹板高度予以調(diào)整，主梁采用掛藍(lán)懸臂澆筑法施工。主梁斷面示意圖，如圖3所示。
圖3 主梁梁端跨中斷面示意圖
4、施工重點及關(guān)鍵技術(shù)
在高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工中，其中大體積承臺混凝土施工、薄壁空心墩施工、大跨懸灌線性控制施工是施工中的重點和難點。
4.1 大體積承臺混凝土施工
主墩承臺混凝土體積巨大， 4#—8#主墩尺寸為24.2m×15.8m×5m，一次澆筑砼體積為1912m³。按照施工進(jìn)度的安排，承臺施工需要在冬季完成。對于大體積混凝土施工，重點是控制裂縫的產(chǎn)生。由于混凝土溫度變化產(chǎn)生變形受到混凝土內(nèi)部和外部的約束影響，產(chǎn)生較大應(yīng)力，尤其是拉應(yīng)力，是導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。為避免混凝土出現(xiàn)裂縫，不影響結(jié)構(gòu)的受力和正常的使用，必須采取可靠措施防止內(nèi)外出現(xiàn)過大溫差，對混凝土溫度變化加以控制，嚴(yán)格控制裂縫出現(xiàn)。通過對大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理分析，在施工中主要從原材料質(zhì)量控制，配合比選取，嚴(yán)格控制拆模時間，混凝土養(yǎng)護(hù)、通水散熱幾個方面來控制內(nèi)外溫差，確保內(nèi)外溫差控制在20℃之內(nèi)。
4.2 薄壁空心墩施工
主橋橋墩4#-7#墩高分別為116m，140m，141m，120m，均為單薄壁空心墩，采用爬模施工工藝；8#墩墩高62m，為雙薄壁空心墩，采用翻模施工工藝。由于橋墩較高，對橋墩的垂直度和偏位要求很高，施工過程中要嚴(yán)格控制，防止出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。
在現(xiàn)階段的高墩施工中，常常采用爬模和翻模兩種施工形式。翻模是由上下兩組同樣規(guī)格的模板組成，隨著混凝土的連續(xù)灌注，下層混凝土達(dá)到拆模強(qiáng)度后，自下而上將模板拆除，接續(xù)支力，如此循環(huán)往復(fù)，完成橋墩的灌注施工。爬模施工是按照結(jié)構(gòu)的平面圖，沿結(jié)構(gòu)周邊一次裝設(shè)模板，爬升過程中不用再支模，拆模等；混凝土可以保持連續(xù)澆注，施工速度快，隨著模板內(nèi)混凝土不斷澆注，通過不斷提升模板來完成整個建筑物的澆注和成型。施工過程中要切實理解好兩種施工形式的特點，優(yōu)選方案，編制好施工組織計劃，精心組織施工。
4.3 大跨懸灌線性控制施工
由于墩高跨大，懸臂澆注時梁段的變形較大，且受日照溫差、溫度、預(yù)應(yīng)力、臨時荷載及混凝土的強(qiáng)度、彈性模量的影響，各節(jié)段的預(yù)拋值控制難度較大，線型控制的合攏精度要求高。梁段的合攏施工技術(shù)較為復(fù)雜，成橋后的線型及應(yīng)力狀態(tài)必須與設(shè)計相吻合。由于受混凝土的徐變影響，通車后跨中的撓度下沉較多，影響通車后的結(jié)構(gòu)線型及使用，故必須采取可靠措施使得各“T”構(gòu)在形成體系之前盡可能減少混凝土徐變對梁體帶來的影響。
5、總結(jié)語
本文圍繞著高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的發(fā)展歷程開始展開闡釋，分析了其受力特性，構(gòu)造特點以及施工中的重點、難點。淺析了高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的相關(guān)內(nèi)容，加深了對此類橋型的理解，為今后同類橋梁的施工積累經(jīng)驗。
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