爱华网浅谈高墩大跨连续刚构桥
中铁十四局集团三公司延延高速项目部 任飞
摘要：本文结合延延高速黄河特大桥介绍了高墩大跨连续刚够桥的发展历程，结构特性以及施工中的重点难点。
关键词：连续钢构 ；高墩 ；大跨；施工
1、发展历程
在国外，伴随着预应力混凝土技术和悬臂施工技术的发展， 20世纪60年代在T型刚构桥的基础上出现了一种新的桥型，连续刚构桥。连续刚构桥主梁为连续刚体，与薄壁墩固结而成，吸收了连续梁桥和T型刚构桥的优点。具有适应性强、施工方便、易于养护、造型优美、经济性好、行车舒适等优点，自问世以来得到了迅速发展。
随着我国经济实力的增强，为了满足交通运输的需要，连续刚构桥因其具有优越的性能得到了广泛的应用。1990年建成了我国第一座跨径为180m的广州洛溪大桥。之后，相继建成了黄石长江大桥（162.5+3×245+162.5）m、虎门大桥辅航道桥（150+270+150）m等一系列具有代表性的桥梁，将连续刚构桥的建设推向新的高度。
近年来，高等级公路的建设逐步向西部延伸。那里地势险峻，地形多为深沟、陡坡，对桥梁建设提出了更高的要求，因此出现了大量高墩大跨连续刚构桥。目前在国内，主跨跨径最大的为重庆石板坡长江大桥复线桥，跨径为330米；墩高最高的为四川腊八斤沟特大桥，最大墩高182.5m。我项目部承建的延延高速黄河特大桥最大跨径160m，最大墩高141m，无论从设计水平上，还是施工难度上都处于同类桥梁的领先水平。
随着西部大开发的进一步推进和东部跨海连江工程的实施，连续刚构桥的建造热潮仍在继续。并且随着设计水平的提升和施工工艺的改善，以及在高原地区受地形环境的限制，为满足建桥的实际需要，连续刚构桥未来将会向着更大跨更高墩的方向发展。
2、结构特点及力学特性
连续刚构桥吸收了连续梁桥和刚架桥两种桥型的特点，是一种组合体系桥梁。一般将桥跨结构即主梁和墩台整体相连的桥称之为刚构桥。由于墩梁之间采用刚性连接，在竖向荷载作用下，将在主梁端部产生负弯矩，跨中的正弯矩也会随之减小，跨中截面尺寸也会相应的减小；支柱在承受竖向荷载的同时也会承受弯矩和水平推力，是一种有推力结构形式。
刚够桥大多数位超静定结构，这就造成了在混凝土收缩，温度变化，墩柱不均匀沉降等过程中产生附加内力；在施工过程中的体系转换过程中也会产生附加内力。在跨径较小的情况下一般选用钢筋混凝土结构形式的刚构桥，在大跨度桥梁中，经常采用预应力混凝土刚构桥。
高墩大跨连续刚够桥是一种大跨径预应力刚构桥。在受力方面有着与一般刚构桥相近的特性，但伴随着跨径的增大和墩高的增高，在受力方面也有着自己独特的特征。墩梁固结，上部结构、下部结构共同承受荷载；采用柔性墩，允许墩柱有较大的位移，形成摆动支撑体系；多次超静定结构混凝土收缩、徐变、温度变化等作用下产生的附加应力会对结构产生较大的影响。
3、桥部类型及其特点
3.1基础
高墩大跨连续刚够桥的基础构造形式与其他桥梁并无太大的区别，但其对地基的不均匀沉降量控制严格。一般而言根据桥位处的地址情况而定，经常采用桩基础。我项目部承建的黄河特大桥位于陕晋界，典型的U型河谷,陕西岸陡坡峭，黄河河底平坦，山西岸为梯田。桥址区地层主要为碎石土、粉砂、卵石土、新老黄土、强风化砂岩、中风化砂岩。根据地层条件以及受力需要，采用桩基础，主桥3#、9#墩为8根桩基，4#-8#墩均为24根群桩基础。
由于本桥的跨径较大墩高较高,从受力的角度考虑，混凝土承台体积较大。4#-8#五个主墩承台均为24.2m×15.8m×5m的大体积承台，单个承台混凝土方量达到1912m³，对大体积混凝土的施工提出了更高的要求。
3.2墩柱
高墩大跨连续刚构桥的墩柱与连续梁共同承受内力，且结构内力是按照主梁和桥墩的刚度比进行分配的。如果桥墩的刚度大，则其所分得的内力相应的增大，墩顶处梁段处受力很大，既没有起到降低墩顶弯矩的初衷，也不能充分发挥主梁的抗弯能力。同时，若刚度过大，纵桥向位移较小，不能有效的消除附加内力引起的变形。因而，纵桥向刚度在满足施工和运营阶段的稳定性前提下要尽量小；对于横桥向刚度，随着墩高的增高风荷载逐渐成为控制桥梁内力的主要因素，为了增强横向稳定性，横向刚度需要大一点，用以抵抗倾覆。
高墩大跨的柔性墩，立面形式大体上分为以下三种。即单柱式薄壁墩，双柱式薄壁墩和组合式墩柱。
（1）单柱式墩
单薄壁墩在墩位处只有一个截面形式为空心的矩形截面或箱梁截面的桥墩。单薄壁空心墩为四周闭合的截面形状，其抗扭性能好，抗推能力强，但其柔性不如双薄壁墩。为了在悬浇阶段提供足够安全的抵抗纵向不平衡弯矩的作用，需要较大的纵向尺寸，成桥运营阶段其较大的抗推刚度导致结构在收缩、徐变、温度变化等作用下产生很大的内力，对墩柱、基础均产生不利影响，从而使得基础墩柱的配筋显著增加，导致下部构造造价增加。单薄壁墩，多用在深谷和深水河流的高桥墩上，随着墩高的进一步增高其柔性也会有所改善，经济性能也有所改善。
（2）双柱式薄壁墩
双薄壁墩顺桥向刚度较小，可以很好的适应桥梁的纵向变形，一般用于墩高50m以内的悬臂施工连续刚构桥。采用双薄壁墩可以有效的增加竖向刚度，抗推能力小允许的变位大，不仅可以有效的减小主梁墩顶的负弯矩，使得弯矩峰值出现在墩顶，使结构内力分配更加合理。双薄壁对横向的迎风面积较小、风载体形系数小，对抵抗山区峡谷横风更有利。但对于墩高大于50m，若采用此种墩形会增加施工的复杂性和难度，就会变的不经济。
（3）组合式桥墩
组合式桥墩上部采用双薄壁，下部采用单薄壁空心墩，具有以上两种桥墩形式的优点。通过调整上部双薄壁和下部单薄壁空心墩高度，可以获得较好的纵向刚度和横向刚度，从而满足结构在施工阶段和运营阶段的受力要求。
延延高速黄河特大桥根据地形与现场实际情况设计的桥墩如下形式。如图1所示。
图1 黄河特大桥墩身形式示意图
主桥桥墩4#-7#墩高分别为116m，140m，141m，120m。8#墩墩高62m。墩高大于100m的4、5、6、7号墩采用单薄壁空心墩；横桥向宽均为7.0米，顺桥向4和7号墩为7.5米、5和6号墩为9.0米，壁厚顺桥向0.9米，横桥向0.7米。主桥8号墩采用双薄壁空心桥墩；横桥向宽7.0米，顺桥向单薄壁2.5米，壁厚顺桥向0.8米，横桥向0.6米。桥墩中部设置横系梁，增强横向联系，提高横向刚度。桥墩单幅平面图，如图2所示。
图2.14#-7#桥墩横截面示意图图2.28#桥墩横截面示意图
3.3主梁
为了减小上部结构的自重，增加跨度，减小上、下部结构的工程量、增加截面的抗扭刚度，高墩大跨连续刚构桥上部结构一般采用变截面箱梁。箱梁根部的高跨比为1/15—1/20，其中大部分为1/18；跨中的高跨比也在下降，桥的上部结构趋于轻型化。桥型的梁底变化曲线一般按照1.5—1.8幂次的抛物线变化。顶板和底板是承受正负弯矩的主要工作部位，当采用悬臂施工方法时，梁的下缘特别是靠近桥墩的截面承受很大的压应力。箱型截面的底板应提供足够大的承压面积，发挥良好的的受力作用。一般情况下，箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚直至墩顶，以适应受压要求；箱梁顶板的厚度需要满足桥面横向弯矩的要求和满足布置纵向预应力钢束的要求。
延延高速黄河特大桥主桥上部结构为88+4×160+88米预应力混凝土连续刚构，由一个单箱单室箱型断面组成。箱梁根部高度为9.5米，跨中梁高3.5米，其间梁高按1.8次抛物线变化。箱梁顶板宽12.15米，底板宽7米，顶板厚0.3米，底板厚度由跨中0.32米按1.8次抛物线变化至根部1.1米，腹板分别为0.5米，底板厚1.3米，腹板厚0.8米。除桥墩箱梁内设4道横隔板外，其余中跨跨中各设2道横隔板。桥面横坡采用不同腹板高度予以调整，主梁采用挂蓝悬臂浇筑法施工。主梁断面示意图，如图3所示。
图3 主梁梁端跨中断面示意图
4、施工重点及关键技术
在高墩大跨连续刚构桥施工中，其中大体积承台混凝土施工、薄壁空心墩施工、大跨悬灌线性控制施工是施工中的重点和难点。
4.1 大体积承台混凝土施工
主墩承台混凝土体积巨大， 4#—8#主墩尺寸为24.2m×15.8m×5m，一次浇筑砼体积为1912m³。按照施工进度的安排，承台施工需要在冬季完成。对于大体积混凝土施工，重点是控制裂缝的产生。由于混凝土温度变化产生变形受到混凝土内部和外部的约束影响，产生较大应力，尤其是拉应力，是导致混凝土产生裂缝的主要原因。为避免混凝土出现裂缝，不影响结构的受力和正常的使用，必须采取可靠措施防止内外出现过大温差，对混凝土温度变化加以控制，严格控制裂缝出现。通过对大体积混凝土裂缝产生的机理分析，在施工中主要从原材料质量控制，配合比选取，严格控制拆模时间，混凝土养护、通水散热几个方面来控制内外温差，确保内外温差控制在20℃之内。
4.2 薄壁空心墩施工
主桥桥墩4#-7#墩高分别为116m，140m，141m，120m，均为单薄壁空心墩，采用爬模施工工艺；8#墩墩高62m，为双薄壁空心墩，采用翻模施工工艺。由于桥墩较高，对桥墩的垂直度和偏位要求很高，施工过程中要严格控制，防止出现失稳的情况。
在现阶段的高墩施工中，常常采用爬模和翻模两种施工形式。翻模是由上下两组同样规格的模板组成，随着混凝土的连续灌注，下层混凝土达到拆模强度后，自下而上将模板拆除，接续支力，如此循环往复，完成桥墩的灌注施工。爬模施工是按照结构的平面图，沿结构周边一次装设模板，爬升过程中不用再支模，拆模等；混凝土可以保持连续浇注，施工速度快，随着模板内混凝土不断浇注，通过不断提升模板来完成整个建筑物的浇注和成型。施工过程中要切实理解好两种施工形式的特点，优选方案，编制好施工组织计划，精心组织施工。
4.3 大跨悬灌线性控制施工
由于墩高跨大，悬臂浇注时梁段的变形较大，且受日照温差、温度、预应力、临时荷载及混凝土的强度、弹性模量的影响，各节段的预抛值控制难度较大，线型控制的合拢精度要求高。梁段的合拢施工技术较为复杂，成桥后的线型及应力状态必须与设计相吻合。由于受混凝土的徐变影响，通车后跨中的挠度下沉较多，影响通车后的结构线型及使用，故必须采取可靠措施使得各“T”构在形成体系之前尽可能减少混凝土徐变对梁体带来的影响。
5、总结语
本文围绕着高墩大跨连续刚构桥的发展历程开始展开阐释，分析了其受力特性，构造特点以及施工中的重点、难点。浅析了高墩大跨连续刚构桥的相关内容，加深了对此类桥型的理解，为今后同类桥梁的施工积累经验。
参考文献
[1] 马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].人民交通出版社, 2001
[2] 欧阳青, 王艳, 王艳华. 高墩大跨连续刚构桥墩形式研究[J]. 中外公路, 2008,1: 047.
[3] 周军生, 楼庄鸿. 大跨径预应力混凝土连续刚构桥的现状和发展趋势[J]. 中国公路学报, 2000, 13(1): 31-37.
[4] 刘毅, 郑强, 段振益. 苏通大桥主1号墩液压爬模施工技术[J]. 中国港湾建设,2005, 4: 015.
