冯振兴1 曾晓茜2
1.中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031
2.四川省工程咨询研究院 成都 610031
摘要：黑峪口黄河特大桥主桥为（71+5×128+71）m七跨一联的高墩大跨度连续刚构桥。高墩、大跨、长联是该桥的特点，也是该桥设计的难点，本文将通过对该桥的计算分析，总结该类桥型设计过程中的关键问题，为同类型该类桥梁设计提供参考。
关键词 连续刚构；高墩；大跨；长联；桥梁设计
1 工程概况
兴县黑峪口黄河特大桥为静乐丰润至兴县黑峪口高速公路上的一座大型桥梁，也是该项目的关键性控制工程。其主桥采用（71+5×128+71）m预应力混凝土连续刚构箱梁，下部主墩采用双肢薄壁空心墩，最大墩高81m。
桥梁跨黄河属河谷区，地形起伏较大。桥址区上覆第四系全新统冲积层（Q4al），第四系上更新统风积层（Q3eol），下伏基岩为三叠系中统二马营组下段（T2z2）泥岩、砂岩。
2 主要技术标准
1）设计等级：双向四车道高速公路。
2）设计行车速度：80km/h。
3）桥面宽度：2×（0.5+11.5+0.5）m。
4）设计荷载等级：公路 -Ⅰ级。
5）通航标准：规划Ⅳ级内河航道。
6）地震：基本烈度Ⅵ度，峰值加速度0.05g。
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图1 黑峪口黄河特大桥桥型总体布置/m
3 结构设计
3.1 主桥上部结构设计
1）上部主要尺寸
箱梁采用单箱单室直腹板断面，顶板宽12.5m，底板宽6.5m，单侧悬臂长度3m。箱梁根部梁高为8m，合拢段梁高为3m，梁底下缘按1.8次抛物线变化。0号块底板厚度为120cm，各梁段底板厚从悬臂根部至悬浇最大悬臂由100～32cm按1.8次抛物线变化，合拢段底板厚为32cm。箱梁顶板厚度0号块梁段至2号块梁段顶板厚度由80cm变化到30cm，其余梁段顶板厚均为30cm。箱梁腹板厚度0号块为90厘米，其余梁段根据受力分70/60/50cm渐变。典型横断面见图2所示。
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图2 主梁横断面构造/cm
2）预应力钢束布置
箱梁仅在0号块位置采用三向预应力体系，其余位置仅布置纵向及竖向预应力。预应力采用高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值，纵向预应力采用双端张拉，横向及竖向预应力采用单端张拉。
为预防温度、混凝土收缩徐变对主梁应力及线形的影响过大，保证结构的安全性及耐久性，设计时预留了顶板备用束、边跨底板备用束、中跨底板备用束。
3.2 主桥下部结构设计
桥墩采用双肢薄壁空心墩，如图3所示。
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图3 主墩构造/cm
单个矩形空心薄壁断面为3.0×6.5m，壁厚横桥向80cm，纵桥向60cm。左右幅承台合修，承台厚度为4.2m，平面尺寸为16.5×24.6m，承台下基桩采用24根D1.8m钻孔灌注桩，按端承桩设计。
3.3 引桥设计
综合考虑经济合理、安全耐久、景观协调等因素，引桥采用常规40m跨预应力混凝土连续T梁，下部桥墩根据墩高不同，选用双柱式桥墩及矩形空心墩，桥台采用柱式台，墩台均采用钻孔灌注桩基础。
4 结构分析
4.1 静力计算
本桥静力采用空间分析软件Midas Civil进行计算，采用平面杆系计算软件桥梁博士进行校核。建立的Midas模型如图4所示。
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图4 Midas计算模型
模型中对桥梁建造进行全过程模拟，计算荷载按现行规范取值，程序根据最不利状况进行组合。
4.1.1 上部结构
根据现行规范对上部结构持久状况承载能力、正常使用抗裂验算、挠度验算及持久状况和短暂状况应力均进行了验算。在各种工况下主桥箱梁个截面均未出现拉应力，最大压应力发生在0号块附近上缘，各截面应力较为均匀，跨中下缘有1.7MPa的压应力储备，支点截面上缘有1.1MPa的压应力储备。计算结果表明，该桥应力状况满足现行规范的各项要求。各跨控制截面挠度验算结果见表1。
表1 挠度验算表
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表中所列，箱梁在消除结构自重影响后，按短期效应组合并考虑长期效应增长系数的最大挠度为84.952mm<128000/600=213.333mm，满足规范要求。
4.1.2 下部结构
运营阶段桥墩墩身计算长度顺桥向杆件计算长度取1.1L，横桥向墩顶计算长度取1.8L，经验算，其承载能力及裂缝宽度均可满足规范要求。
4.2 高墩稳定性分析
本次计算采用Midas Civil Bulkling分析功能分别计算以下4种工况下，结构的稳定性系数。工况1为恒载+施工荷载+横向风，工况2为恒载+施工荷载+纵向风，工况3为恒载+施工荷载+横向风+顶推力，工况4为恒载+施工荷载+纵向风+顶推力。各工况对应稳定性计算结果见表1。
表2 最大悬臂状态最高桥墩稳定性计算结果
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计算结果表明，各桥墩在最大悬臂状态下具有良好的稳定性，不会发生稳定破坏。
4.3 抗震分析
本桥场地区域设计基本地震加速度值为0.05g，地震基本烈度为 6 度，地震动反应谱特征周期为0.45s，场地类别为II类。经验算，桥梁抗震不控制设计，桥墩承载力及墩顶位移均可满足规范要求。
5 设计要点
5.1 桥墩墩型选择
对于高墩长联结构，如何解决高墩的稳定性与纵向刚度之间的矛盾，以及主梁上缘升温工况下最大应力与降温工况下抗裂验算最小应力之间的矛盾为设计的难点，因此，桥墩刚度的选取成为控制设计关键。如刚度较小，不利于施工过程中高墩的稳定性；如刚度过大，最靠近边跨主墩的受力很大，主梁上缘压应力亦比较难控制，这样势必会造成材料的浪费。本次设计中针对多种形式进行反复试算，选取了双肢薄壁空心墩方案。
5.2 桥墩系梁设置
本桥桥墩高达81m，常规设计时为提高桥墩整体稳定性，通常在主墩顺桥向设置系梁。根据计算分析，系梁的设置虽有利于提高桥墩稳定性和抗风性能，但同时存在受力复杂、局部应力过大、施工较麻烦且难以控制混凝土质量等问题，因此本桥设计时取消双肢桥墩之间纵向系梁，既满足和改善了主墩受力状况，又方便了高墩施工，保证了施工进度。
5.3 桥墩顶推措施
为减小混凝土后期收缩徐变等因素对结构产生的不利影响，合拢前需对桥墩施加顶推措施。顶推量的大小按照收缩徐变完成后的恒载状态下主墩墩顶位移基本为零的原则确定，同时考虑桥墩在各状态下纵向最大弯矩基本相当。施加顶推力后，桥墩各控制截面内力、位移等均大幅减小。为保证顶推的有效性，施工中应根据实际施工情况及监控数据合理调整，调整原则为：逐级增加水平力，同时监控墩顶水平位移，达到设计合理值后完成顶推。
5.4 适当增加根部梁高
对于本桥这种长联结构，温度作用下主梁应力较大，根部截面极易出现压应力超标，因此建议适当增加根部截面高度，以利于设计。梁高的增加同时又能减小腹板中的剪应力，有利于控制腹板斜裂缝。
5.5 跨中预拱度设置
收缩徐变对大跨度连续刚构桥挠度的影响很大，设计时一般采取在计算预拱度的基础上增加一个经验值的方式作为设计预拱度。对于常规三跨结构，该预拱度的大小对结构不会产生不利影响，但对于本桥这种多跨结构，其变形特征与常规三跨结构有一定区别，相邻主跨之间的变形相互影响较大，因此设计时预拱度取值不宜过大。
5.6 边支座承载力取值
鉴于本桥这种多跨结构变形特征有别于三跨结构，在第三跨、第五跨跨中下挠时边支座会承受额外的附加力，因此边支座承载力取值应留有一定的富裕。
6 结语
大跨度连续刚构桥因其适应能力强、施工技术成熟、施工方便等，是山区公路项目中非常具有竞争力的桥型。笔者以静兴高速黑峪口黄河特大桥为工程实例，就高墩大跨长联连续刚构桥设计过程中的关键问题进行总结，为同类型该类桥梁设计提供参考。
（1）由于在收缩徐变及温度作用下，联长较长结构主墩存在变形较大、内力较大的情况，因此连续刚构桥联长不宜过长。
（2）各主墩抗推刚度不宜差别太大。抗推刚度差别较大时，顶推力的施加使得墩顶产生的位移差别较大，将导致后期正常运营阶段主墩位移、主梁应力差别较大，难以控制。因而设计时应对不同的墩高选择不同的截面形式及构造尺寸，以使得各桥墩抗推刚度基本相当。
（3）顶推力的取值不宜过大，过大的顶推力将使得T构在施工阶段及未完成收缩徐变前的正常使用阶段产生较大位移，将导致材料浪费甚至危及结构安全性。
（4）对于多跨长联结构设计时应适当增加梁高，选用较小的跨高比，以利于主梁各项应力控制。
（5）考虑多跨长联结构的变形特征，主跨跨中预拱度数值不宜太大，并应适当提高边支座承载力富裕。
参考文献：
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[3] 王江波，王兴达，冯云成.大思乌江特大桥设[J]．中外公路，2012，32（6）：168-172．
作者简介：
冯振兴，男，硕士研究生，工程师，896985573@qq.com