徐家山特大桥设计

徐家山特大桥设计

秦启迪

中国公路工程咨询集团有限公司，北京， 100089

摘要：徐家山特大桥是一座预应力混凝土连续刚构桥，桥跨布置为(96+178+96)m，单幅桥宽为12.5m。主梁采用变高单箱单室截面，三向预应力体系；主墩上部分采用双肢空心薄壁墩，下部分为整体箱型截面，最大墩高127m，承台下接12根直径2.2米的桩基础。

1 工程概况

徐家山特大桥位于云南省昭通市彝良县柳溪乡横坡村境内，是威信至彝良高速公路项目的终点段，为跨越“v”形深谷, 桥梁上接岩口隧道，下与路基相连。桥位区为彝良县茶坊村主干道，公路相对通达。桥面距沟底最深约188m，是威信至彝良高速公路的控制性工程，其重要性非常突出。

图1：徐家山特大桥效果图

本桥设计标准为高速公路，设计汽车荷载为公路—I级，设计速度为80Km/h。抗震设防标准：按照地震基本烈度6度设防，地震动峰值加速度为0.05g。

2 地形、地貌及地质岩性条件

2.1 地形、地貌

徐家山特大桥跨越“V”形深谷，地形起伏变化大。桥址区属构造溶蚀中高山地貌，地表植被茂密，地表覆盖层较厚，基岩为中风化灰岩、砂岩。

2.2 地质岩性条件

据区域地质调绘资料，桥梁区域内无明显的构造形迹；工程钻探成果显示，场地内也未发现明显的地层缺失、错位现象，桥址处属构造活动相对稳定区。根据地勘报告，上覆地层为第四系全新统残坡积填土、粉质黏土、碎石，下伏基岩粉砂岩、泥岩。

3 设计难点

(1) 本桥跨度相较大，桥台处有大量堆积土，边墩处于陡坡，植被茂密，施工时表层积土在扰动的作用下有可能产生滑坡，同时，岩块可能坠落、崩塌等，影响施工安全。

(2) 本桥墩高跨大，施工期间在不对称施工荷载（甚至挂篮跌落）和风荷载作用下以及运营期在风荷载作用下，桥墩整体或局部的抗倾覆稳定性问题。

4 结构设计

4.1 主梁

徐家山特大桥主梁采用单箱单室截面，箱梁顶板宽12.5m，两侧翼缘宽3m，箱梁底宽6.5m；梁高按1.8次抛物线变化，根部梁高11.2m，跨中梁高3.7m。考虑预应力束锚固需要，翼缘板下缘设置两次变坡，翼缘板根部厚0.85m，翼缘板端部厚0.2m。顶板厚0.30m，底板板厚由跨中0.3m变化至根部1.3m；腹板厚度由主墩支点处渐变至跨中，共渐变3次，由50cm渐变到70cm再渐变到90cm，渐变段为两个节段。主梁采用三向预应力体系。纵向预应力采用Φ_S15.2mm高强度低松驰钢绞线，其中共采用54束顶板束、42束腹板束，13束中跨合龙束，18束边跨合龙束 6束备用束。

4.2 下部结构

主墩上部分采用双肢空心薄壁墩，下部分采用整箱式空心墩，承台桩基础，最大墩高127m，横桥向墩身宽度为10.5米，纵桥向墩顶双肢宽度为3.0米，墩底整箱式宽为11m。主墩左、右线采用分离式承台设计，单个承台桩基布置采用四排三列布置，，承台高为5.0米，宽19.8m，长15.2m。主墩基础按端承桩设计，共12根直为Φ2.2m的桩基

由于本桥墩高较高，桥墩设计时从墩身刚度要求、墩身纵桥向设计参数，以及稳定性要求进行了分析。

4.2.1墩身刚度要求

通过对比双薄壁墩和单薄壁墩的抗弯刚度及抗推刚度来选定桥墩形式。

图2：单薄壁墩 双薄壁式墩

表1：抗弯、抗推刚度对比表

通过对比可知：

单薄壁墩墩相对于双薄壁墩抗弯刚度小抗推刚度大抗扭能力弱，因此双薄壁墩能有效地减少温度、混凝土收缩徐变和顺桥向位移的影响，并且双薄壁墩墩顶负弯矩要比单薄壁式墩小，对结构更加有利，因此徐家山特大桥下构墩型选择双薄壁墩。

4.2.2 纵桥向单肢截面宽度的确定

双薄壁墩顺桥向宽度可据温度变化引起的最大位移б来计算所需双薄臂墩宽度b。

图3：双薄壁墩尺寸示意

设P为由温度变化 在墩顶产生的水平力，则由 引起墩顶顺桥向位移 为：

L:桥梁主桥全长（96+178+96=370m）

：线膨胀系数（0.00001）

：极端温差（25.9℃）

经计算徐家山特大桥双薄壁墩宽度b=2.7m，取值为3m。

4.2.3 双肢薄壁墩间距H的确定

按实际施工中出现的不平衡弯矩△M来确定距H。

△M：不平衡弯矩

：混凝土抗拉强度设计值

经计算徐家山特大桥双肢薄壁墩间距H为8m。

4.3 边坡防护

对桥位区两岸的自然山坡及桥墩施工开挖的坡面采用锚杆挂网喷砼防护。锚杆采用Φ25螺纹钢筋，间距2m，左岸侧长度分别为8～10m，右岸侧锚杆长度10～12m，长短交替布置。

5 结构计算

5.1 结构动力特性、抗风性能及静力稳定性分析

5.1.1 设计基准风速、检验风速

主梁运营阶段基准风速：V_d=38.4m/s。

主梁施工阶段基准风速：V_ds=32.3m/s。

主梁运营阶段颤振检验风速V_cr=62.0m/s；驰振检验风速V_cg=46.1m/s。

主梁施工阶段颤振检验风速V^s_cr ==54.6m/s；驰振检验风速V^s_cg=38.7m/s。

5.1.2结构动力特性计算分析

计算采用MIDAS程序建立空间有限元模型，桩基岩层不同深度侧向约束采用弹簧支撑模拟，弹性约束两个水平方向的自由度，桩底约束竖向自由度。

结构成桥状态前十阶振型特点见下表2：

表2 成桥状态特性

施工状态前十阶振型特点见下表3及表4：

表3 最大单伸臂状态特性

表4 最大双伸臂状态特性

5.1.3 结构抗风稳定性分析

根据以上动力特性分析结果可知，成桥以及最大单、双伸臂三种状态下结构的扭转振型分别在十阶以后开始出现，并且主要体现于墩身，而主梁参与的扭转振型在前30阶并未出现。可以判定主梁的颤振稳定性不存在问题，仅对结构最大双伸臂状态进行驰振稳定性分析^[1]。

驰振临界风速

(1) 主梁

式中 为主梁单位长度质量，取33800kg/m； 为结构一阶弯曲圆频率，取1.3197； 为结构阻尼比，取0.05；H为截面迎风宽度，取9.8m；截面的驰振力系数取为-1.7。代入上式，求得

主梁不会发生驰振。

(2) 墩身

式中m为墩身单位长度质量，取56420kg/m； 为结构一阶弯曲圆频率，取1.3197； 为结构阻尼比，取0.05； 为截面迎风宽度，取8.0m；截面的驰振力系数取为-2.0。代入上式，求得

墩身不会发生驰振。

5.1.4 结构静力稳定性分析

通过对结构成桥及施工状态的静力稳定性分析可知，稳定系数满足规范要求。

表5 成桥及施工状态弹性稳定安全系数

5.2 地震响应分析

本桥桥墩较高，桥址区地震烈度为Ⅵ度，计算时采用反应谱法分析进行，抗震设防类别为A类。

5.2.1 E1、E2地震作用下结构强度检算

(1)计算参数

桥梁结构地震响应采用反应谱理论进行，反应谱用《公路桥梁抗震设计细则》（JTJ/TB02-01-2020）中II类场地的动力放大系数。

地震设防标准：桥址处地震动峰值加速度0.05g，地震基本烈度Ⅵ度，地震动反应谱特征周期取0.4s，按Ⅱ类场地考虑。

(2)地震计算荷载组合

按照《公路桥梁抗震设计细则》规定，同时考虑水平向X、Y和竖向Z的地震作用，按SRSS对三个方向地震响应进行组合。

（3） 控制截面纤维模型

根据主墩及桩基配筋图，建立相应的纤维模型。利用软件进行截面 关系数值分析。

（4）抗震验算

在地震作用下，分别输入纵向、横向地震，验算关键截面，结果见下列各表。下列表格中轴力以拉为正，压为负。

表6 E1-关键截面抗震验算（主墩纵向输入）

表7 E1-关键截面抗震验算（主墩横向输入）

表8 E2-关键截面抗震验算（主墩纵向输入）

表9 E2-关键截面抗震验算（主墩横向输入）

根据计算结论可知，E1、E2作用下能力需求比均大于1。

在E1、E2输入下，主墩控制截面能力需求比均满足要求；

6 结 语

中国2/3的山区面积是我国特有的地形特点，因此山区桥梁设计也是我们设计环节中必不可少的一环,对于这类桥梁,在设计时应综合考虑各种桥型方案，并通过计算验证。

参考文献：

[1] JTG/T 3360-01-2018,公路桥梁抗风设计规范。

[2] JTG T2231-01-2020, 公路桥梁抗震设计规范.

[3] JTG 3362-2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范