交通运输论文桐山溪特大桥104+200+104米连续刚构桥抗风设计

　　沈海复线福鼎贯岭至柘荣段为海峡西岸经济区高速公路“二纵”国家高速公路沈阳至海口纵线扩容工程福鼎(闽浙界)至蕉城段，是海峡西岸经济区“三纵八横三环三十三联”高速公路网布局中的重要组成部分。沈海复线福鼎贯岭至柘荣段起于福鼎市贯岭镇邦福村(设邦福枢纽互通与沈海高速公路衔接)，经福鼎市桐山街道、管阳镇，终于福鼎市管阳镇刘洋村(顺接沈海复线柘荣至福安段)，路线全长32.04km。桐山溪特大桥位于福鼎市山前镇山前村，跨越通乡公路和桐山溪。

　　桐山溪特大桥为一座整体式大桥，桥梁起点桩号：K1+166.5，终点：K1+821.5，桥梁全长655m，设计为3×30+(104+200+104)+5×30预应力混凝土连续刚构、预应力混凝土T梁，引桥T梁采用先简支后结构连续体系，主桥采用104+200+104m连续刚构。

　　1.1 技术标准

　　1.1.1 设计行车速度：80km/h。

　　1.1.2 设计基准期;100年。

　　1.1.3 设计安全等级;桥梁结构为一级。

　　1.1.4 设计荷载：公路-I级。

　　1.1.5 高程系统：1985国家高程基准，坐标系：1954年北京坐标系。

　　1.1.6 桥面宽度：本桥位于整体式路基段，桥宽W=(0.5+11+0.5)+0.5+(0.5+11+0.5)=24.5m。

　　1.1.7 桥面横坡：单向2%(半幅桥、标准横坡、曲线超高部分做相应调整)。

　　1.1.8 设计洪水频率：按1/300洪水频率设计，桥梁高程由路线控制，不受洪水位控制。

　　1.1.9 地震基本烈度：6度，地震动峰值加速度为0.05。

　　1.1.10 桥梁抗震设防类别为A类;抗震设防措施等级为7度。

　　1.1.11 气候：(1)风速：设计基本风速取38.4m/s(1/100);(2)温度：最冷月(元月)平均气温8.6℃，最热月(7月)平均气温28.3℃，极端最低气温为-5.2℃，最高气温为43.2℃;(3)湿度：设计按70%取值。

　　1.1.12 环境类别：Ⅰ类。

　　1.2 桥址自然条件

　　桥址属河流沟谷地貌，地势较陡，拟建场地横跨一由西北流向东南溪流，溪流宽约39.00～42.00m，其流量受季节性影响较大，暴雨季节流量骤增。场地内地势陡缓，自然坡度50°～55°。整体地面标高介于56.24～215.74m之间，最大相对高差约159.50m。

　　地质构造上，桥址属河流沟谷地貌，表层分布有第四系残坡积黏性土，其下地层主要为凝灰熔岩(J3n)及其风化层。在勘探孔控制深度范围内场地未见有空洞、采空区等洞穴。根据场地周边环境地质条件分析，场地周边未发现滑坡、泥石流等不良地质作用和软土、饱和液化土层。

　　1.3 主要材料

　　1.3.1 混凝土：上构连续刚构箱梁采用C55(合拢段混凝土采用微膨胀混凝土)，下构及基础一般情况下，墩盖梁及墩身、主墩承台采用C40混凝土;过渡墩承台采用C30混凝土;基桩采用C25混凝土。

　　1.3.2 预应力材料：预应力钢束应采用符合GB/T5224-2003标准的高强度、低松弛预应力钢绞线，标准强度fpk=1860MPa。预应力锚具采用OVM15系列锚具，预应力孔道采用配套的塑料波纹管，真空压浆工艺。

　　箱梁竖向预应力钢筋材料采用标准强度fpk=1860MPa的高强低松弛钢绞线和级别PSB785的精轧螺纹粗钢筋。体外预应力钢绞线采用无黏结低松弛环氧涂层钢绞线。体外束外套采用高密度聚乙烯管。锚固块和转向块采用预埋无缝钢管成孔，转向块处采用梳束器保证体外束束型。

　　2 主桥设计

　　2.1 总体设计

　　本桥跨越桐山溪，无通航要求。最大桥高187m，桥面中心设计标高：202.339m(见图1)。

　　2.1.1 平面：处于A=342.053的右偏缓和曲线，直线段上，主桥平面位于直线段。

　　2.1.2 纵面：依次位于2%的直坡段、R=16000m凹曲线内，主桥纵面位于2%的直坡段。

　　2.1.3 桥梁宽度：本桥位于整体式路基段，桥宽W=左幅桥(0.5防撞护栏+11行车道+0.5防撞护栏)+0.5+右幅桥(0.5防撞护栏+11行车道+0.5防撞护栏)=24.5m。

　　2.2 主桥上部构造

　　主桥上部为(104+200+104)m三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，采用分离的上、下行独立的两座桥，单幅单箱单室截面，箱梁高度跨中为4.57m，支点处箱梁中心梁高12.57m，由距主墩中心5.5m处往跨中方向94.5m段按1.5次抛物线变化。箱梁顶宽12m，底宽7m，顶板悬臂长度2.5m。箱梁浇筑分段长度依次为：14m长0号段+12×3m+14×4m，边、中跨合拢段长均采用2m，边跨现浇段长2.56m(见图2、3)。

　　2.3 主桥下部构造

　　本桥4、5号桥墩为主桥桥墩，即墩梁固接墩，4号桥墩双肢墩高分别为106.915m和107.085m;5号桥墩双肢墩高分别为115.915m和116.085m。墩身采用双肢等截面矩形空心墩，肢间净距5m;空心墩在其底部设6m厚和顶部设2m厚的实体过渡段;纵、横向隔一定距离用系梁将纵向双臂墩连成整体以满足结构强度及稳定要求。主墩承台采用左右幅整体式承台，基础采用桩径2.8m的钻孔灌注桩，桩基础按嵌岩桩设计。主、引桥间3、6号过渡墩采用等截面矩形空心墩，3号过渡墩左、右幅墩高为44m;6号过渡墩左、右幅墩高为50m。空心墩在其底部设4m和顶部设1m厚的实体过渡段，沿桥墩高度每间隔25m左右设一道横隔板;单幅墩承台厚3m，单幅桥基桩采用4根直径为2.0m的钻孔灌注桩，桩基础按嵌岩桩设计。　　3 抗风计算

　　3.1 风载参数计算

　　3.1.1 百年一遇风荷载计算：该项目所在地：福建省福鼎市，依据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)。

　　第一，主梁横桥向风：FH=ρVg2CHH/2=65.2kN/m(墩支点处横桥向风)

　　FH=ρVg2CHH/2=22.4kN/m(跨中处横桥向风)

　　第二，主梁顺桥向风：Ffr=ρVg2Cfs/2=2.4kN/m(墩支点处顺桥向风)

　　Ffr=ρVg2Cfs/2=1.6kN/m(跨中处顺桥向风)

　　第三，桥墩横桥向风：FH=ρVg2CHAn/2=10.5kN/m(墩顶横桥向风)

　　FH=ρVg2CHAn/2=7.7kN/m(墩底横桥向风)

　　第四，桥墩顺桥向风：FH=ρVg2CHAn/2=18.9kN/m(墩顶顺桥向风)

　　FH=ρVg2CHAn/2=13.86kN/m(墩底顺桥向风)

　　3.1.2 风荷载与汽车活载组合时，风荷载计算：该项目所在地：福建省福鼎市，依据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)。当风荷载参与汽车荷载组合时，桥面高度处的风速Vz取为25m/s。

　　第一，主梁横桥向风：FH=ρVg2CHH/2=16.2kN/m(墩支点处横桥向风)

　　FH=ρVg2CHH/2=5.6kN/m(跨中处横桥向风)

　　第二，主梁顺桥向风：Ffr=ρVg2Cfs/2=0.6kN/m(墩支点处顺桥向风)

　　Ffr=ρVg2Cfs/2=0.4kN/m(跨中处顺桥向风)

　　桥墩横桥向风：FH=ρVg2CHAn/2=2.1kN/m(墩0.65H处)

　　第四，桥墩顺桥向风：FH=ρVg2CHAn/2=3.78kN/m(墩0.65H处)

　　3.1.3 施工阶段不平衡风荷载。该项目所在地：福建省福鼎市，依据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)。施工阶段的设计风速按30年重现期计算Vsd=ηVd=0.92Vd。

　　成桥状态：

　　主梁横桥向风：FH=ρVg2CHH/2=55.2kN/m(墩支点处横桥向风)

　　FH=ρVg2CHH/2=18.9kN/m(跨中处横桥向风)

　　第二，主梁顺桥向风：Ffr=ρVg2Cfs/2=2.0kN/m(墩支点处顺桥向风)

　　Ffr=ρVg2Cfs/2=1.4kN/m(跨中处顺桥向风)

　　第三，桥墩横桥向风：FH=ρVg2CHAn/2=8.75kN/m(墩顶横桥向风)

　　FH=ρVg2CHAn/2=7.7kN/m(墩底横桥向风)

　　第四，桥墩顺桥向风：FH=ρVg2CHAn/2=15.75kN/m(墩顶顺桥向风)

　　FH=ρVg2CHAn/2=13.86kN/m(墩底顺桥向风)

　　最大悬臂状态：

　　第一，主梁横桥向风：FH=ρVg2CHH/2=57.1kN/m(墩支点处横桥向风)

　　FH=ρVg2CHH/2=17.0kN/m(跨中处横桥向风)

　　第二，主梁顺桥向风：Ffr=ρVg2Cfs/2=2.3kN/m(墩支点处顺桥向风)

　　Ffr=ρVg2Cfs/2=1.5kN/m(跨中处顺桥向风)

　　第三，桥墩横桥向风：FH=ρVg2CHAn/2=10.15kN/m(墩顶横桥向风)

　　FH=ρVg2CHAn/2=8.75kN/m(墩底横桥向风)

　　第四，桥墩顺桥向风：FH=ρVg2CHAn/2=18.27kN/m(墩顶顺桥向风)

　　FH=ρVg2CHAn/2=15.75kN/m(墩底顺桥向风)

　　3.2 最大悬臂状态的屈曲分析

　　3.2.1 横桥向风荷载作用下。荷载工况：1.0自重+1.0主梁隔板+1.0预应力+1.0横向风荷载。

　　最大悬臂状态下模型见图4：

　　图4 最大悬臂状态模型图

　　最大悬臂施工状态，横桥向风荷载作用下，临界荷载系数为13.5，一阶振型图见图5：

　　图5 横桥向风载下一阶阵型图

　　3.2.2 顺桥向风荷载作用下。桥梁顺桥向梁所受的风荷载按《风规》相关条文计算计入。桥墩上的顺桥向风荷载标准值按横桥向风压的70%乘以桥墩迎风面积计算。顺桥向风荷载作用下，临界荷载系数为13.5，一阶振型图见图6。1.0自重+1.0主梁隔板+1.0预应力+1.0纵向风荷载。

　　图6 顺桥向风载下一阶阵型图

　　3.3 成桥状态的屈曲分析

　　3.3.1 横桥向风荷载作用下。荷载工况：1.0自重+1.0二期恒载+1.0主梁隔板+1.0预应力+1.0护栏+1.0横向风荷载。成桥状态下模型见图7：

　　图7 成桥状态模型图

　　成桥状态，横桥向风荷载作用下，临界荷载系数为21.15，一阶振型图见图8：

　　图8 横桥向风载下一阶阵型图

　　3.3.2 顺桥向风荷载作用下。荷载工况：1.0自重+1.0二期恒载+1.0主梁隔板+1.0预应力+1.0护栏+1.0纵向风荷载。顺桥向风荷载作用下，临界荷载系数为21.16，一阶振型图见图9：

　　图9 顺桥向风载下一阶阵型图

　　3.3.3 施工阶段不平衡状态稳定分析。

　　施工过程中单“T”进行了下述四种工况的验算：(1)最后一个悬臂段不同步施工，一侧施工完毕，另一侧施工一半，经验算，稳定系数为13.79;(2)一端堆放的材料、机具等按4.5kN/m计，另一端空载，经验算，稳定系数为13.5;(3)一侧施工机具等动力系数1.2，另一侧为0.8，经验算，稳定系数为13.42;(4)考虑箱梁自重的不均匀性，一侧悬臂自重增加4%，另一侧悬臂自重减少4%，经验算，稳定系数为13.49。上述施工过程中各不平衡工况与风载不平衡组合叠加验算：(1)不平衡施工+风载不平衡，经验算，稳定系数为13.78;(2)不平衡机具+风载不平衡，经验算，稳定系数为13.46;(3)不平衡机具动力系数+风载不平衡，经验算，稳定系数为13.42;(4)不平衡自重+风载不平衡，经验算，稳定系数为13.49。

　　3.3.4 裸墩稳定分析。荷载工况：1.0自重+1.0横向风荷载。横风荷载作用下，临界荷载系数为45.99，一阶振型图见图10：

　　图10 裸墩横风载下一阶阵型图

　　荷载工况：1.0自重+1.0纵向风荷载。

　　纵风荷载作用下，临界荷载系数为45.98，一阶振型图见图11：

　　图11 裸墩纵向风载下一阶阵型图

　　4 结语

　　本桥为高墩大跨径混凝土连续刚构，上部主梁采用悬臂浇筑施工，施工和运营阶段均存在稳定问题，设计中对结构进行了稳定性分析。计算中考虑主墩裸墩、施工至最大悬臂及成桥三个状态，荷载组合考虑永久作用、汽车荷载、制动力、温度作用、施工阶段风荷载、顺桥向百年风荷载、横桥向百年风荷载等荷载工况。本次设计采用Midas/Civil程序进行稳定性计算，经验算，最不利稳定系数均不小于5.0，满足规范要求，结构具备较高的安全度。

　　作者简介：刘召起(1975-)，男，黑龙江宁安人，长春市市政工程设计研究院高级工程师，研究方向：道路桥梁。