山区跨越水库桥梁设计_安稳.pdf

-84-山区跨越水库桥梁设计安 稳（湖北建科国际工程有限公司，湖北 武汉 430000）摘要：基于跨越水库的桥梁工程设计，分别从桥型选择、结构设计、细部设计等方面展开分析。关键词：山区建设；桥梁工程；设计要点中图分类号：U442 文献标识码：BStudy on design of bridge across reservoir in mountainous areaAN Wen（Hubei Jianke International Engineering Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430000 China）Abstract:Based on the bridge engineering design across the reservoir,this paper analyzes the bridge type selection,structure design,detail design and so on.Key words:mountain area construction;bridge engineering;design points引言对于低等级公路尤其是山区公路，需要对养护工艺可行性做出研判。桥梁下部结构位置所受的水流冲刷也应纳入设计考虑范围，并采取适当的措施来缓解工程建设对库区自然条件可能造成的破坏。在确保发挥预期功能的基础上将工程造价控制在合理的范围内，不宜过大过小，因此，桥型方案在确保安全性的同时应兼顾功能性1。1 确定桥型方案某山区公路建设项目横跨四级库区，跨越库区大桥距离两岸的距离大约为 260 m，其桥面标高约为175.0 m，水库库底位置的标高约为 122.5 m，两者之间存在 52.5 m 的高差。本项目跨越库区最深处达 38 m，且水流具有一定的冲刷效果，也对下部结构的施工带来一定阻碍，所以在设计时应当优先采用大跨径设计，并尽量减少深水墩柱的数量。1.1 结构设计在涉及到高墩、大纵坡的桥梁设计中可以优先采取变截面预应力混凝土连续刚构桥2。在本项目上部结构的设计中选定为变截面连续刚构桥，且为了适应主墩处湖面、桥面标高之间 52.5 m 的高差，尽管通过附加承台以及群桩基础能够显著改善整体刚度，但通过 m 法计算发现桩顶位置的位移过大，若设计为支座连接的非刚构变截面箱梁，则其支座往往容易出现损坏现象，使得梁板结构的力学状态变异，进而损害其耐久性。在本项目中通过刚构变截面箱梁的设计来加强整体刚度，确保桥梁具有良好抵抗水平作用的能力。桥梁布跨设置：跨越地形两岸相距约 260 m，采用三跨刚构桥设计，同时为了满足“双 T”结构在施工时平衡荷载悬浇的工艺需求，在边跨处布置变跨现浇段，并且在中跨及边跨处各布置一个 2.0 m 宽的后浇合拢段。综合考虑以上施工需求，将边跨、中跨的比例限制在 0.55 0.6 的区间内，并基于工程建设地地面线确定 68.0 m+120.0 m+68.0 m 的跨径布置，其中边跨、中跨的跨度比为 0.567，处于合理范围内，配跨的总长度为 256 m。桥梁两侧基于工程地形地势分布选用重力式桥台方案，其中单侧墙长 3 m，桥设计全长为262 m，符合实际建设需求。桥面设计宽度为9.0 m，采用双向两车道的方案，桥型布置见图 1。3003009006 8006 800立面26 20012 000平面路线设计线图 1上部结构的桥型布置/cm考虑山区地形地势的影响，容易受到地理高差的限制而出现大纵坡桥梁，需要技术人员做出针对性优化，譬如背墙沿梁板方向进行弯折、调平梁底收稿日期：2022-06-13作者简介：安稳（1989），男，湖北恩施人，硕士研究生，工程师，研究方向为桥梁和边坡设计。2022 年第 6 期山东交通科技-85-支座支撑、保持固定支座在较低的主墩位置。在本项目中桥梁两岸的高差比较小，在桥梁设计中仅采取 0.5%上坡、-0.5%降坡来引导排水，其对结构受力的影响可基本忽略。上部结构选用箱型截面设计，主墩位置的箱梁高度定为 7.0 m、跨中位置的箱梁高度定为 3.0 m，并设计为单箱单室断面，底板下缘形状按照二次抛物线进行布置。一般来说，箱梁底板边缘的形状一般有二次抛物线、圆曲线以及椭圆形等不同布置方法。本项目采用二次抛物线的设计，底板厚度的变化由 30 cm到105 cm。而箱梁顶板厚度则采用15 cm的等厚设计，腹板设计厚度为 50 cm。箱梁的构造情况见图 2。（a）边跨箱梁立面（b）1/2 中跨箱梁立面（c）剖面图 2箱梁构造桥梁的主跨采取 68 m+120 m+68 m 的设计，且其全长范围内的预应力筋布置比较复杂，在配束时需要慎重对待、精细配置，对于主跨长度 75 m 的梁端依据 A 类预应力结构进行配束。由于本项目横跨水库，环境湿度比较大，在这样的条件下钢筋锈蚀的风险也更为突出，使得结构力学性能及耐久性发生显著下降。在本项目中按照全预应力结构完成设计，以此来保障结构具有足够耐久性。箱梁内埋设的预应力筋选用强度为 1 860 MPa 的低松弛标准钢绞线，其张拉环节控制应力以 0.75 fptk为标准，其钢束的单股直径设计为 15.2 mm，形成大吨位的群锚体系。预应力张拉时采取塑料波纹管完成成孔，并借助真空压浆来开展作业，为了确保最终张拉应力满足施工要求，还采取智能张拉辅助作业。实践表明，在智能张拉的帮助下，预应力混凝土结构能够实现标准化作业。在设计桥梁下部结构时，应当充分结合建设地的地质条件。桥台、桥墩的高差分别为 2 m、50 m，并考虑到地面表层较薄的地质分布，最终确定主墩基础的直径为 2.0 m，并选用 6 根群桩与承台相连，其承台的尺寸定为 8.2 m13.2 m3.5 m。通过案例分析计算确定桩基伸入中风化岩层的深度约为 16 m，能够确保桥墩的嵌固稳定可靠。桥台采用 U 型设计，通过计算得到地基承载力的要求为 350 kPa，桥台处于强风化的凝灰岩层中，其实际承载力约为 500 kPa，能够达到设计要求，并且在其上附加了一定厚度的土层。采取这一下部结构设计，能够有效确保墩柱、岩层之间的有效搭接，可以为桥台提供可靠的支持，同时也能够确保在水平荷载作用下墩柱的稳固。1.2 变截面箱梁标高控制在本项目中需要技术人员能够充分结合实际水文地质条件做出研判，并以此为基础确定相应的过水断面、桥梁型式以及断面线形，满足防洪、通航的 需求3。本桥梁结构的设计标高为 175.0 m，查阅当地相关水文记录，发现该地区的百年一遇设计水位为162.5 m，最高通航水位、水库底标高分别为 160.8 m、122.5 m。该桥梁的主墩支点位置墩柱高度为 7 m，由图 3 可以发现桥梁的控制高程为 5.5 m，能够满足相应要求。由于变截面箱梁存在梁高较大的特点，在设计时控制其高度的方法也比较多样。譬如可设计椭圆形的梁底，将梁高限制在较小的水平下，在本桥梁中由于净高要求比较宽松，因此可不额外采取措施进行调整。桥面控制高程桥面控制高程通航净空：558图 3 椭圆形梁底曲线标高控制/m本桥梁的设计标高、通航水位之间存在 14.2 m的高差，同时需要满足 8.0 m 的净高需求，因此需要保证梁板高度小于 6.2 m。采用二次抛物线的梁底线形布置，经计算核验满足要求，能够适应山区建设的实际要求，且其对梁板高度的影响比较小，能够留有足够的裕度。需要注意的是，较大的箱梁高度安 稳：山区跨越水库桥梁设计-86-往往容易导致断面高的缺陷更为突出，对于裕度较小的路段可以优先选用椭圆形曲线来优化梁底线形，使得纵断面设计满足要求。2 水库大桥下部细节设计2.1 桥台结构选择本桥梁的桥台位置比较薄，能够快速进入到强风化、弱风化的凝灰岩岩层中，由于凝灰岩具有较好的力学性能且其埋深比较浅，往往存在部分裸露，因此可以作为可靠的持力层。设计方案采取重力式桥台，其基底承载力应大于 350 kPa，在本项目中将500 kPa 承载能力的强风化凝灰岩层作为持力层，符合设计标准要求，且与建设地地质条件之间能够形成较好的适应性。2.2 桥墩结构形式在实际工程中桥墩常用的型式有薄壁墩、空心墩以及薄壁墩三类，其中前两类墩柱以 Y 形为主，后者以矩形为主。这三类桥墩具有不同的力学性能及应用范围，但矩形墩柱在外形美观上较 Y 形不利。本项目的桥面宽度较小，因此选定为矩形桥墩。虽然空心墩具有自重较小的优点，但其外观视觉感受更为厚重，而矩形薄壁墩相较而言视觉感受更为轻巧4。综合当地路网分布及地质条件，结合经济性和适用性要求，最终选定采用矩形薄壁墩。在视觉感受厚重的箱梁下部位置采用矩形薄壁墩设计，有助于塑造轻巧、美观的外形。在设计墩柱时应当将承台位置作为首要因素进行考虑。桩基需要借助自身合适的直径、刚度来贯入岩层中并通过刚性承台来控制桩身的计算长度，以此改善墩柱整体刚度，而并非仅增大基础尺寸、重量。在本项目中采取高承台的设计方案，见图 4。在该方案中，桥梁结构整体受力协调，承台位置在水库常水位之下 50 cm 处，借助排水措施能够为承台的浇筑作业建立良好的外部环境。但在实际施工时发现桩基较长，且出露于河床之上的部分应当设置钢护筒辅助作业，同时还有桩基之外路段过长的问题。图 4桥墩立面设计实践表明，承台位置对于刚构主墩的抗侧能力存在显著影响，进而使得结构整体承载能力发生变异。承台位置越低，桥墩的抗侧能力越弱，即上部结构受力越有利；同时承台位置也将显著影响施工难度，一般而言承台位置越深施工工艺越复杂、成本约高，所以在设计环节应当慎重确定承台位置。综合考虑成本、工艺等要求，最终选择采用浅水承台。由于不同主墩之间的位置高差差异较大，部分甚至达到了 50 m，为了满足水平荷载下的稳定性要求，本项目选择群桩基础。群桩与承台相连，承台的厚度定为 3.5 m，桩基采用钻孔灌注桩，其桩径为 200 cm。在理论分析时按照桩基嵌入基岩深度为 16 m 进行计算，其具备良好的稳定性，能够对主体结构起到良好的支撑作用。3 混凝土结构耐久性设计受库区内水冲的影响，结构会受到侵蚀，其中砂石、混凝土等在潮湿环境下往往能够保持自身性能，但其风化速度会受到一定的促进。处于潮湿环境下的钢筋虽然短期内能够保持原有的稳定性，但结构耐久性会出现一定的损失。库区内水位的上升会导致土体内空隙的填充进而重力上升，在水位下降时水渗出使得土体稳定性被削弱。尤其是在冬季气温较低时，未能及时排出土体的水可能发生冻结膨胀，导致结构病害发展。在跨越水库的桥梁建设、运营中，应当制定定期检修制度，并借助专业设备、肉眼观察等方式来评价结构安全性，对于发现的病害应及时加固，避免病害的进一步发展。在大型桥梁施工完成后还可借助Midas 等分析软件对结构病害、加固方案等进行模拟分析，指导维护管理工作的开展。4 结语考虑到本项目的水深比较大，灌注桩施工是质量控制要点，应当做好平台定位、拼装、固定等环节的工作，才能够确保桩体稳定。还需要将桥梁耐久性纳入设计工作，保障桥梁具备足够的耐久性，将运营期维护成本控制在合理范围内。参考文献：1 郭皆焕.某山区跨越水库桥梁设计与施工研究D.杭州:浙江大学,2020.2 田野.山区河道型水库滑坡涌浪对桥梁作用的试验研究D.重庆:重庆交通大学,2020.3 韩立业.山区高速公路安全评价的关键问题研究D.上海:上海应用技术大学,2020.4 李宏刚.高原山区内陆湖泊、水库区域桥梁桩基、承台施工J.公路,2017,62（10）:129-131.