高墩连续刚构桥的应用与关键设计技术
2015-05-04
高墩连续刚构桥的应用与关键设计技术
摘要：目前我国公路建设正处在高速发展时期。连续刚构桥作为山区首选桥型，桥墩高度不断增加。通过连续刚构桥实例，总结介绍其关键设计技术,可为山区高墩桥梁的设计提供一定的借鉴。
关键词：薄壁高墩；刚构桥；薄壁高墩；高墩设计；稳定
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
随着经济的发展，我国公路建设正处在高速发展时期。1990年广东络溪大桥（l=180 m）是我国建成的第一座大跨径连续刚构桥，此后经过十几年的推广应用，连续刚构桥己成为我国设计大跨径60 m～300 m桥梁的主选桥型。高墩连续刚构桥梁在山区高速公路建设中其墩高在不断的刷新着记录，桥墩高度已经从原来的五六十米、七八十米到现在的百米以上。2008年建成的沪蓉国道主干线上的龙潭河特大桥为106+3×200+106 m的预应力混凝土连续刚构，最大墩高178 m，居世界同类桥梁墩高之最。由中交第一路勘察设计研究院有限公司设计的陕西三水河特大桥，最大墩高达183 m，将该类桥型墩高记录进一步刷新。
大跨径连续刚构桥的技术特点及应用
简支梁是桥梁中最简单的型式，但跨越能力不大，随着跨径的增大，要不断地通过牺牲截面材料来克服自重引起的弯矩。连续梁的应用可以改善简支桥的弊端，而连续刚构桥的墩梁固结及高墩的柔度可适应结构由于预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的位移，能够更好地满足特大跨径桥梁的受力要求，在桥型选择中很有竞争力。
连续刚构桥有很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，它利用高墩的柔度来适应结构由预应力混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的位移，能满足特大跨径桥梁的跨越及受力要求。连续刚构桥较连续梁桥抗震性能好，水平地震力可均摊到各个桥墩上来承担，而连续梁则需要设置制动墩或是采用价格较昂贵的专用抗震支座。墩梁固结，便于采用悬臂施工方法，取消了连续梁在施工转换体系时所采用的墩上临时固结措施，在一定条件下，连续刚构桥具有用料省、施工便捷、养护费用低等优点。预应力混凝土连续刚构桥与预应力混凝土连续梁桥相比，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的特点，又有t型刚构桥不设支座、施工方便等优点。其投资比同等跨径的斜拉桥、悬索桥要低，其高墩结构的投资也比一直以来最便宜的简支梁桥在同等条件下偏低或是相同。因此，预应力连续刚构桥在近四十年间得到了较快地发展。最大跨径从100 m左右发展到超过300 m，成为在海湾、深谷、大江大河上建造大跨度桥梁时广泛采用的结构型式之一。道路通过深沟峡谷或大型水库，往往采用大跨度桥梁穿越。但受经济技术条件限制，跨度不恰当地加大并不一定有利。若采用高桥墩，往往能使桥型更为经济合理。一般而言，墩高是指基础顶面至墩顶的距离，超过40 m的为高墩。襄渝线紫阳汉江大桥三号墩高达72.4 m，是70年代已建成的最高空心桥墩。1984年建成的西北罕井至东坡矿铁路线的白水河一号桥，墩高达75 m，近年建成的侯月线海子沟大桥，最高墩达81 m。高桥墩的设计，逐步成为一个重点研究的问题。一般的桥墩，考虑纵横两个方向的外力，墩身截面尺寸受偏心和压应力的控制。但当墩高超过30 m以后，稳定性和墩顶位移量成了墩身截面需要考虑的控制因素。在此期间，建成了多种型式的混凝土高桥墩，但为了安全和施工方便，加之桥梁上部构造多为钢筋混凝土简支梁，高墩均为重力式实体桥墩。随着桥梁建设事业的发展，山区桥梁要求修建更多的高桥，桥墩的高度逐步增加，当墩高超过40 m时，设计中要求的墩身尺寸已经很大，混凝土数量很多，实体墩已显得很不经济。为解决这一弊端，出现了空心墩，同时由于施工技术不断发展，促进了空心墩的推广，经过一些科学研究、模型试验、实桥测试，说明了空心墩有效的实现了桥墩的轻型化，可适用于很高的桥墩。随后薄壁墩的出现，不仅方便施工，而且进一步省功省料，降低了工程造价。随着桥梁建设不断向西部和山区发展，高墩数量在迅速加大，施工能力不断发展，相继又开发了爬模、翻模的施工技术。
百米以上超高墩连续刚构桥，其设计除进行传统的应力与强度控制外，更关键的因素有：超高墩稳定、风载效应、横桥脉动风引起的抖振以及横桥向抖振而导致的行车舒适性及服务能力的下降、地震响应等。对于墩高在50 m以上的弯连续刚构，因为采用了悬臂施工技术，同时受空心薄壁高墩，薄壁箱梁和曲率的影响，其整体、局部稳定性已经成为影响桥梁结构施工、运营安全的主要因素。按照传统的特征值屈曲理论进行分析将产生较大偏差，导致结构偏于不安全，因此有必要对结构进行非线性的稳定分析。
高墩稳定与设计
高墩连续刚构桥一般地处大型峡谷地区，由于风效应，瞬时风速及紊流强度较大，因此高墩既要满足稳定性要求，又必须抵抗强大的、对设计起控制作用的风荷载，因此采用如下高墩设计思路[1]：
（1）桥墩应具有适当的纵向抗推刚度，以适应纵桥向由于温度、混凝土收缩徐变等引起的变形；
（2）为抵抗横桥向风荷载，减小偏载引起的侧向位移，提高行车舒适性，墩柱横桥向刚度应设计得较大；
（3）无论是在悬臂施工阶段还是运营阶段，横桥向风荷载均起控制作用，应尽可能减小墩柱横向迎风面积、改善气动外形、减小风载体形系数；
（4）高墩一般采用滑模或爬模施工，从施工的便捷出发，宜采用简洁的形状；
（5）山区高墩连续刚构桥体量巨大，景观效果突出，墩形选择应与环境相协调。
高墩连续刚构桥墩一般采用整体式和分离式，由于墩较高，多为薄壁箱形截面。单肢箱形截面具有强大的抗弯、抗扭刚度，但箱形截面具有较大的纵向抗推刚度，适应结构体系纵向变形的能力较差，为了在悬浇阶段提供足够安全的抵抗纵向不平衡弯矩的作用，需要较大的纵向尺寸，而此时较大的抗推刚度导致体系在收缩、徐变、温度变化等作用下产生较大的内力，对墩柱、基础均产生较大的影响。
双肢柱可以很好地适应纵向变形，一般用于墩高50 m以内的悬臂施工连续刚构桥，是非常经典的墩柱形式，我国270 m虎门辅航道桥、澳大利亚260 m gateway桥均采用这种形式，双肢柱相对单箱单肢柱具有如下优点：
（1）在纵向抗推刚度相当，适应体系温度、混凝土收缩徐变能力相当的前提下，可提供远大于单肢单箱墩柱的总体抗弯刚度，为悬浇阶段提供足够安全的抵抗不平衡荷载的能力；
（2）纵向抗推刚度容易调整，可以通过调整单肢截面、系梁间距、系梁截面刚度等手段，较自由地调整纵向抗推刚度，减小由于温度、混凝土收缩徐变等产生的结构次内力；
（3）对一联多跨的适应性较好，可在保持柱顶几何尺寸不变的前提下调整不同高度墩柱的刚度，适应全联体系的受力要求，保证箱梁0号及各悬臂施工节段划分不变，简化设计与施工，保持结构的整体景观协调；
（4）双肢柱对横风的迎风面积较小、风载体形系数小，对抵抗山区峡谷横风有利；
（5）在墩柱工程量相当的前提下，双肢柱纵向间距较大，减小了上构箱梁的净跨径，减小了箱梁的受力，上构相对经济。
（6）双肢薄壁箱形墩柱可通过增设系梁、或调整系梁的刚度、间距来适应成桥后连续刚构体系的需要，而在悬臂施工阶段，则可搭设柱间临时连接，临时增大纵向刚度以满足施工的需要。
此外，合理的薄壁墩的壁厚、桥墩刚度和局部稳定问题都是在设计高墩连续刚构桥时需要考虑的因素。
结论
高墩连续刚构桥高墩的选型、设计往往是该类桥梁设计的关键问题，一般采用双肢墩柱，可以有较大的设计裕度。对薄壁式墩，可以根据不同的约束条件，通过限制宽厚比而使局部稳定问题不控制结构设计。
参考文献
[1] 彭元诚，方秦汉，李黎. 超高墩连续刚构桥设计中的关键技术[j]. 桥梁建设. 2006(4): 30-33.
