单跨刚构桥预应力斜壁墩高次超静定体
1 概述
碧云大桥位于遵义市碧云路路口，跨越湘江河，距上游的新华桥正南面100 m 处。由于新华桥桥面窄及标高不够，难以满足交通和防洪要求，决定新建碧云大桥。桥位处湘江河百年一遇洪水位816.80 m ，两岸道路标高818.45 m ，高差仅为1.65 m ，对于桥梁结构高度限制较大；桥位断面为典型的道路+ 河堤+ 河道+ 河堤+ 道路组成断面，基本上无引道长度；规划河道宽度58 m ，现状河堤线距离59.2 m ，为了满足防洪和景观要求，委托方要求一跨过河，河中不能布设桥墩。在诸多限制条件下，多方案比较分析认为桥型仅局限于下承式拱桥、槽型梁桥、刚构桥等低结构高度桥型。
经过多方案比较分析，决定采用净跨径60 m的单孔刚构桥桥型方案，大桥全长77.12 m ，桥宽30 m (桥型布置见图1)。
2 设计标准
(1) 设计荷载： 城—B； 人群荷载：4.5 kPa；
(2) 设计洪水频率： P= 1%；
(3) 设计洪水位： H= 816.80 m；
(4) 通航标准： 不通航；
(5) 地震烈度： 6 度， 按构造设防；
(6) 桥面分幅： 桥面布置为：7 m 人行道+ 16m 车行道+ 7 m 人行道，全宽30 m。
3 结构设计
3.1 上部结构
大桥上部结构全长67 m ，跨径为3.5 m + 60m + 3.5 m 的预应力混凝土门型刚构桥，主梁断面采用变截面单箱多室结构，在结构高度较小的情况下获得较大的结构刚度。截面高度按圆曲线方程变化，跨中设10 m 等高度梁段。主梁根部梁高2.5 m，高跨比为1/24； 跨中梁高1.5 m，高跨比为1/40。顶板宽30m，底板宽25 m，悬臂2.5m。箱梁顶板厚20 cm ，底板厚20 cm ，腹板宽50cm。在梁端处顶、底板厚度均由20 cm 渐变为30cm ，腹板由50 cm 渐变到80 cm。全桥共设2 道24cm 厚横隔板，以减小箱梁受扭横向畸变效应。边跨3.5 m 为实体段，主要是考虑利用强大的端横梁将梁体结构剪力和桥墩预应力钢束锚固力均匀传到整个断面，以防止由于应力集中造成的局部裂缝，同时也为梁体增加平衡配重，尽量改善由于边跨过短造成的受力不合理现象(横断面布置图见图2)。
3.2 下部结构
3.2.1 桥墩设计
碧云大桥桥墩为双薄壁墩，墩高7.5 m ，均为宽25 m ，厚50 cm 的矩形断面。直壁墩与斜壁墩均与梁体和基础固接，在斜壁墩中加竖向预应力，采用50# 预应力混凝土结构， 直壁墩采用50# 钢筋混凝土结构。基础按扩大基础设计，为40# 混凝土结构，长×宽×高为6 m ×27 m ×2 m ，桥墩竖向预应力体系锚固在基础内。基础持力层为完整的中风化砂岩层， 基底容许承载力为1200kPa。
3.2.2 桥台设计
该桥桥台为重力式桥台，两岸桥台高度分别为7.9 m 和9.6 m ，台身长均为5.8 m ，与现状河堤接顺，基础为扩大基础。
3.3 其他
桥面铺装为等厚8 cm 防水混凝土铺装，伸缩缝为SFP-60 型伸缩缝。
4 结构计算分析
碧云大桥采用高次超静定的刚梁柔墩的墩梁固接体系，区别于普通单孔刚构桥所采用的设混凝土铰减少超静定次数或以增大梁体(和桥墩) 刚度去适应不同工况下的内力变化的普通做法。采用柔墩以适应预应力次内力和温度变化对梁体内力影响， 使得主梁受力趋向简支梁受力性质，正弯距值增大，而负弯距值明显减小。通过设置斜壁预应力混凝土拉杆来克服主梁变形和内力变化的影响。
4.1 结构内力分析计算
该结构为墩梁固接的刚构体系，从体系形成到结构受力按4个施工阶段和使用阶段划分，施工阶段分别为桥墩裸杆(含支架支撑) 并张拉桥墩预应力阶段、主梁浇筑阶段、张拉主梁预应力阶段、主梁和桥墩支架拆除进行体系转化的阶段。使用阶段考虑了恒载预应力、汽车荷载、整体温升30 ℃、整体温降20 ℃、上下梁温差±10 ℃和混凝土收缩与徐变。计算纵横向内力采用平面杆系假定，按空间块理论进行应力复核， 利用桥梁通用计算程序进行内力分析计算，空间复核采用A S2BEST ′98 程序复核。根据各阶段工况组合内力和应力的情况，调整断面尺寸和预应力钢束，将各阶段受力和应力控制在安全范围内。表1 列出控制断面在使用阶段主要应力变化和强度系数。
4.2 预应力钢束布置
按计算结果，主梁和斜壁墩按预应力A 类构件设计，直壁墩按钢筋混凝土偏心受压构件设计。在主梁和斜壁墩布置预应力钢束，钢束采用φj15.24 (270) 高强度低松弛钢绞线， 标准强度Rby= 1860M Pa。主梁纵向预应力钢束为通长束， 共计73 束16×φj15.24， 梁端设9 束12×φj15.24 补强， 斜壁墩设48 束16×φj15.24。锚具均为HVM系列锚具， 控制张拉力均为σ= 0175Rby= 1395MPa。直壁墩配筋按φ25 钢筋间距8 cm 布置。
5 施工过程
作为高次超静定体系，如何有效利用预应力，是整个施工顺序设计的重点。碧云大桥施工顺序为：(1) 浇筑斜壁墩和墩顶部位的主梁；(2) 张拉斜壁墩预应力； (3) 浇筑其它部分桥墩和梁体；(4) 张拉主梁预应力；(5) 施工桥面系。
将斜壁墩分离出来原因在于：如果主梁与桥墩刚性连接，预应力钢束提供斜壁墩预压力会按梁体刚度与墩体刚度比进行分配，使得预应力没有得到有效利用；同时这种施工方案存在裸杆稳定性较差，且没有减小主梁预应力对桥墩的影响等问题。在施工过程中对裸杆的支撑和预应力束张拉顺序都进行了严格的控制，以保证整个施工过程中的安全。
本桥目前施工完成，一次落架成功，实测变形和理论计算吻合较好。
6 结束语
(1) 城市桥梁设计应根据桥位处实际地形情况、防洪、接线道路限制和景观等具体情况合理选择桥型；
(2) 对桥梁结构高度受到限制，同时景观要求又较高的中等跨径城市单跨桥梁，门型刚构桥型不失为一种较优的选择；
(3) 应对施工过程按设计要求严格控制，充分考虑施工的可行性，以达到预期目的。
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