郑卢高速公路洛宁至卢氏段大铁沟特大桥设计

摘要：本文结合郑卢高速公路洛宁至卢氏段大铁沟特大桥工程，介绍了该桥的设计过程及桥梁构造，同时针对当前该类桥梁结构存在的病害问题，提出了有针对性的解决方案，以供同行们借鉴和参考。

关键词：刚构桥 高墩大跨 高墩稳定

中图分类号：U238 文献标识码： A

0 前言

大铁沟特大桥是郑卢高速公路洛宁至卢氏段的重要桥梁，位于山岭区，地形为典型的“V”形沟，桥高达183m，小桩号山坡坡度约30°，大桩号山坡很陡，坡度达57°。主桥上部采用预应力混凝土连续刚构，主墩采用等截面空心墩，基桩采用群桩基础。

1 桥梁设计标准

1）公路等级：高速公路；

2）设计时速：80km/h；

3）荷载标准：公路―Ⅰ级的1.3倍（河南省地方标准）；

4）设计洪水频率：三百年一遇；

5）地震动峰值加速度：0.05g（相当于地震基本烈度6度，按7度设防）。

6）桥面宽度 ：

主桥：2×（0.5m防撞护栏+净11.38m+0.32m防撞护栏）+0.1m中央分隔带=24.5m。

2 桥梁设计方案

桥梁在初步设计阶段提出了300m跨上承式钢管拱桥、400m跨双塔双索面斜拉桥及160m跨连续刚构桥等多种设计方案，结合桥梁工期要求及经济技术可行性，最终确定采用160m跨连续刚构桥；根据桥位处地形，桥梁主桥设计为三跨一联预应力混凝土箱梁连续刚构，跨径组合85+160+85米，下部结构主墩采用单柱薄臂空心墩，主桥全长330米。

针对以往高墩大跨连续刚构常见的问题，借鉴国内外类似桥梁最新建设成果及经验，设计时有针对性地采取了如下措施：

1）桥位处设置凸曲线，改善主梁内力分布，减少主梁下挠；

2）调整边、中跨比以降低边跨现浇段的剪力，减小主拉应力，边中跨比85/160=0.531；

3）高、跨比是影响主梁受力状态的主要参数，通过增加梁高以增加主梁刚度，改善主梁受力状态，主梁根部高跨比12/160=1/13.3，跨中高跨比4/160=1/40；

4）主墩采用刚度较大的箱梁空心墩，配合主梁共同减少主下挠；

5）1/4跨处，腹板沿主拉应力方向增加构造斜筋，提高截面抗剪能力，防止开裂；

6）纵向预应力参与抗剪，将部分纵向预应力下弯锚固，可大大提高截面抗剪能力；

7）优化竖向预应力的配置，优化竖向预应力的张拉顺序；

8）收缩徐变对挠度的影响很大，受各种不确定条件限制难以准确计算，因此适当加大设置跨中预拱度值，确保成桥使用阶段主桥线型，同时在施工过程中加强检控混凝土强度、弹性模量，适时检测桥梁变形，尽可能避免主梁下挠。

3 桥梁构造

1）桥梁上部结构：主梁采用C55混凝土，单箱单室截面；桥面全宽12m，悬臂长度3.0，箱梁底宽度6.0m；箱梁悬臂端厚度0.2m，悬臂根部厚度0.7m；支点截面的梁高12.0m，腹板厚度0.80m，顶板厚度0.5m，底板厚度1.50m；跨中截面的梁高4.0m，腹板厚度0.50m，顶板厚度0.30m，底板厚度0.32m；梁高及底板厚度采用1.6次抛物线；端横梁厚度2m，中横梁厚度1.2m（详见配图）。

2） 桥梁下部结构：墩高120m；空心墩顺桥向长度10m，横桥向宽度7.2m。顺桥向壁厚80cm，横桥向壁厚100cm，墩身自下向上每20m设置横隔板一道，横隔板厚度60cm；承台群桩基础，承台厚4.5m，桩径2.2m，根据桥位处地形及地质分布采用38m―46m不等桩长（详见配图）。

3）主梁预应力配置：主梁采用三向预应力布置，箱梁横向预应力采用15.2mm钢绞线，每束两股；竖向预应力墩顶附近采用15.2mm钢绞线，伸入桥墩长度15m，每束三股，其余竖向预应力采用直径为JL32mm的精轧螺纹筋，竖向预应力筋在每侧腹板内按双排布置；横竖预应力顺桥向间距50cm。

纵向预应力布置受悬臂施工阶段控制，原设计为21节段，最小阶段长度2.5m，最大节段长度4.3m；施工过程中，项目建设方要求加工施工进度，申请变更为16节段，最小节段长度3.5m，最大节段长度5m；钢束布置采用顶板束、腹板束、连续束及预备束，顶板束采用15-17、15-19预应力钢束，腹板束采用15-17、15-21预应力钢绞线，连续束采用15-15、15-17、15-19预应力钢绞线。

4 桥梁结构计算

上部构造为预应力混凝土箱梁连续刚构，结构以纵向受力为主，设计计算按平面杆系程序进行纵向计算，采用《桥梁博士》及《MIDAS Civil》进行计算。

施工的工艺流程为：下构施工完成后，在墩旁摊托架浇筑0号块，其余构件（除合拢段及边跨现浇段外）均以挂篮悬臂对称浇筑，并张拉各阶段预应力钢筋，直至最大悬臂，然后由边跨向中跨依次合拢，最后进行桥系施工，按此流程共划分55个施工阶段和1个运营阶段，逐阶段计算结构各截面内力、应力和位移.

每个悬臂的施工包括梁段浇筑、张拉预应力及挂篮前移等三个主要工况。在运营阶段，按成桥状态下的自重恒载、活载、预应力、混凝土收缩、徐变、支座强迫位移、体系温度升降、非线性温度变化及风力对结构进行了分析计算，并据此进行有关截面的配束设计。

1）计算参数

永久作用：混凝土结构自重、混凝土收缩及徐变作用、预加力、基础变位等。

结构自重按实际断面尺寸计算，主梁混凝土容重取26.25 kN/m3（悬浇湿重按1.05倍取值），桥墩取26.0 kN/m3；

桥面现浇层混凝土（厚8cm）按25kN/m3、沥青混凝土铺装（厚10cm）按24kN/m3取值，两侧防撞护栏合计按15.3kN/m计算；

基础变位：边墩2.0cm，主墩3.0cm。

可变作用：包括汽车荷载、温度作用、汽车制动力和静风荷载等。

汽车荷载采用公路―I级×1.3，按三车道计算，计入横向偏载、冲击、车道折减等影响；

温度作用计算时混凝土线性膨胀系数取1E-5，合拢温度10-15℃，分4组温度作用模式：

第1组温度作用：结构整体升温25℃效应；

第2组温度作用：结构整体降温-35℃效应；

第3组温度作用：结构梯度温度效应，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.10条规定的梯度温度计算，混凝土结构10cm沥青混凝土铺装日照正温差T1采用14℃，T2采用5.5℃；

第4组温度作用：日照反温差T1采用-7℃，T2采用-2.75℃。

施工荷载：按施工图确定的施工程序安装、移动施工挂蓝，撤换施工吊架。单幅桥施工挂蓝重1300kN，合拢吊架每侧重255kN，作用在悬臂梁端部。

2、计算结果

综合考虑短暂状况与弹性阶段的各种工况，包括自重、施工荷载、预应力、预应力二次力、收缩徐变次内力、非线性温差、活载、基础变位等作用，对箱梁施工、使用阶段各截面的内力、应力、位移进行了计算分析，并按规范进行验算，主要结论如下：

1）持久状况承载能力极限状态强度满足规范要求；

2）短暂状况混凝土正截面压应力（14.8MPa）及拉应力（-0.17MPa）满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004第7.2.8条规定；

3）使用阶段混凝土正截面压应力（16.9Mpa）及使用阶段受拉区预应力钢筋的最大拉应力，满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004第7.1.5条规定；

4）在正常使用极限状态作用短期效应组合，混凝土正截面抗裂（未出现拉应力）满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004第6.3.1条规定；

5）正常使用阶段短期效应组合时主梁截面的主拉应力最大值（-0.11MPa）满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004第6.3.1条规定。

5 桥梁抗震分析

桥位处地震动峰值加速度为0.05g，本桥属于《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）中的A类桥梁，根据规范要求，必须进行E1地震作用和E2地震作用下的抗震设计；在进行桥梁抗震分析时，采用MIDAS Civil建立整个主桥结构的空间动力计算模型，依据本项目地震安全性评价给出的地震加速度时程数据，对桥梁进行抗震分析，为保证桥梁安全，桥梁在E2作用下仍保证其在弹性阶段内，计算结果满足规范要求。

6 高墩稳定性分析

本桥最高主墩约为120m，高墩稳定分析包括高墩整体屈曲稳定性和薄壁局部屈曲稳定性及高墩低频风振对施工、运营阶段安全性影响等，经分析，桥梁处于最大悬臂状态时为最不利状态，稳定系数为9.8；计算结果表明：本结果具有较高的安全度。

4 结束语

连续刚构桥近年来在我国发展较快，设计施工经验较为成熟，但该类桥梁目前病害较多，设计时应加以重视，采用合理的措施，同时该桥桥墩高较高，设计施工均有一定难度，设计时应针对高墩可能存在的风险进行深入的研究。

参考文献

[1] 郑卢高速公路洛宁至卢氏段初步设计文件

[2] 郑卢高速公路洛宁至卢氏段施工图设计文件