佛山西江富湾大桥主桥设计简介

６０　桥梁结构　城市道桥与防洪　２０１１年１月第１期　佛山西江富湾大桥主桥设计简介　何　海　（广东省公路勘察规划设计院有限公司，广东广州５１０５０７）　摘要：该文介绍一座预应力混凝土连续刚构桥梁的设计，包括工程概况、结构设计、主要技术特点等内容。重点介绍了富湾　大桥溶洞的处理方案、改善边主墩受力采用的措施、避免及预防主桥跨中下挠、中跨跨中出现纵向裂缝等常见病害的措施。　关键词：富湾大桥；连续刚构；病害；溶洞　中图分类号：Ｕ４４２．５　文献标识码：Ｂ文章编号：１００９—７７１６（２０１１）０１－００６０－０３　１　工程概况　富湾大桥位于佛山市高明区，跨越跨越西江　主干流，是广州至高明高速公路上的一座特大桥　梁，主桥采用预应力混凝土连续刚构方案。　桥位区为三角洲平原，珠江三角洲西部后缘。　桥位处水面宽约１　１００　ｍ，水深１０～２０　ｍ。桥位地　基上覆盖层为第四系松散沉积层，基底岩石为灰　岩，岩溶发育，包括溶洞和土洞，主要为溶洞，形　态各异，大小不一，洞高０．４～１５．２　ｍ，或为空洞或　为半充填或为全充填，充填物一般为软塑状亚粘　土，局部含碎块。　主要技术标准为：双向六车道高速公路；公路　Ｉ级设计荷载；计算行车车速１００　ｋｍ／ｈ；地震动峰　值加速度系数０．０５　ｇ；通航净高２２　ｍ，净宽１８，ｍ，　双孔单向通航。　２主桥结构　富湾大桥为四跨预应力混凝土连续刚构，跨　径组合为ｉ１２　ｍ＋２　Ｘ　２００　ｍ＋ｌ１２　ｍ。桥宽为１６．３８　ｍ。　横断面形式为单箱单室箱梁，跨中及端支点处梁高　为４．２　ｍ，墩顶梁高１１．６　ｍ，腹板厚５０～８０　ｅｍ。主桥　上下部结构见图１、图２。　图１富湾大桥立面图（单位：ｃｍ）　２．１主墩及基础　２．１．１主墩　下部结构主墩采用双薄壁箱形墩。由于桥位　处最高、最低通航水位高差达９　ｍ，为了提高抵抗　船撞的能力，将承台顶以上７．５　ｍ部分的主墩墩　收稿日期：２０１０—０９—０７　作者简介：何海（１９７４一），男，广东人，高级工程师，从事桥梁　设计工作。　图２富湾大桥跨中、根部主粱横断面图ｌ单位：ｃｍ　ｌ　身设计为实心矩形截面，中间部分采用单箱单室　截面，墩身纵桥向宽２２０　ｃｍ，横桥向宽为８００　ｅｍ，与　上部箱梁底板同宽，墩身双薄壁箱中心间距７＿８０　ｍｏ　２．１．２基础　半幅桥主墩基础采用９根２５０　ｅｍ钻孔灌注　桩，采用嵌岩桩设计。承台纵桥向宽为１４．０　ｍ，承台　厚度为５．０　ｍ，为提高桩基在横向抵抗船撞的能力，　左右两幅桥的承台连接成整体，承台总宽３６．２０　ｍ。　２．２主梁　２．２．１主梁细部尺寸　箱梁宽：顶板１６．３８ｍ，底板８ｍ；　梁高：根部１１．６ｍ，高跨比为１／１７．２；跨中４．２　ｍ，　高跨比为１／４７．６；　箱梁顶板最小厚度：０．２８　ｍ；　腹板厚度：０．８　ｍ、０．７　ｍ、０．６　Ｉｌｌ、０．５　ｍ；　底板厚度：根部１．２　ｍ、跨中０．３　ｍ，采用１．６次　抛物线变化。　２．２．２预应力布置　主梁采用三向预应力混凝土结构。纵桥向预　应力和顶板横向预应力采用高强低松弛钢绞线。　纵向顶板、腹板预应力钢束采用２２、２５和　２７　ｓ１５．２钢绞线，边跨底板采用１９　ｓ１５．２钢绞　线，中跨底板采用２５　１５．２钢绞线，均采用两端　张拉。预应力管道均采用塑料波纹管，真空压浆工　艺灌浆。顶板横向预应力钢束采用４　１５．２钢绞　线，交错单端张拉。预应力管道采用配套扁形波纹　２０１１年１月第１期　城市道桥与防洪　桥梁结构　６ｌ　管，真空压浆工艺灌浆。腹板竖向预应力采用精轧　螺纹粗钢筋，竖向管道采用内径５０　ｍｍ的镀锌波　纹管，在顶板上进行单端张拉。上部箱梁的主要材　料指标见表１。　表１　箱梁主要材料数量表　液，用高压泵直达溶洞底，泵下水玻璃速凝砂浆　迅速填满溶洞，将溶洞松散土粒或裂隙固结成为　“人造石”，改善了地质类型。待水玻璃浆液凝固　后，然后采用冲击钻冲击成孑Ｌ，进行水下混凝土　灌注工作。ｂ．桩底持力层的注浆加固处理。对于桩　底持力层范围内存在的不同厚度无充填或含少量　充填物的溶洞，特别是相互连通的复杂溶洞・。为消　３主要技术特点　除安全隐患，保证桩基础能安全正常使用，对此类　桩基持力层范围内的溶洞进行注浆加固处理。为　３．１桥址区溶洞的勘探及处理　（１）在初步设计阶段进行了水域地震反射波勘　探，大致掌握了岩溶的分布情况和发育程度，为桥　位的调整提供了依据。但由于本项目受其他条件　的限制，桥位无法做出大范围的调整，因此大桥个　别桩基溶洞发育，存在不少串珠状分布甚至个别　达１０　ｒｎ多高的溶洞。　（２）在详勘阶段，虽然进行了水中桩基的逐桩　地质钻孔，但地质钻孑Ｌ柱钻图不足以反映整个桩　基范围内的溶洞分布情况。因此，又进行了跨孔　ＣＴ反演波速影像物理勘探。通过该方法，结合地　质钻探的柱状图资料，可更进一步反映出钻孔间　剖面的岩溶分布情况，使溶洞的大小和分布范围　得以更全面、清晰的揭露，为桩基的设计提供更充　分的依据。　（３）溶洞的处理。出于两方面的考虑需对溶洞　进行处理：一方面是为了Ｚ日ｚ，甚顺利成孑Ｌ、成桩而作出　的辅助措施，保证桩基施工过程的安全和桩基质　量。另一方面是为了提高地基的承载力，对地基作　注浆填充的加固处理，消除溶洞所造成的地基承　载力不足。ａ．桩基础的成孔：根据地质资料（见表２）　显示，１１＃、１２＃桩位溶洞分布多，溶洞洞高大，　多呈串珠状，多数溶洞为无充填或半充填，充填物　主要为流塑状粘性土及卵砾石。在桩基础施工过　程中易发生漏浆、坍孑Ｌ、埋钻事故，给桩基施工带　来极大困难，为确保桩基施Ｔ安全及加快施工进　度，需对桩身段溶洞进行注浆加固处理。注浆材料　选择水泥一水玻璃类浆液亦称ＣＳ浆液ｆＣ代表水　泥，ｓ代表水玻璃）。这种浆液具有如下的优点：浆　液凝胶时间可以从几秒至几十分种范围内随意调　节，并能准确控制，从而可以控制浆液扩散范围；　材料来源丰富，价格便宜，注浆成本低；浆液配制　方便，容易掌握，对地下水及环境无污染；浆液结　石体有一定的抗压强度和抗拉强度；结石体抗渗　性能好；浆液粘度低，流动性能好，可注性强，能进　入细小裂隙和砂层中。将配制好的水玻璃类浆　了保证灌浆的有效充填和加固结石体的强度，该　处理方案采用高压清水旋喷切割、高压注浆、孑Ｌ内　注浆、孑Ｌ口压浆相结合的施工方法。浆液采用ＣＳ　浆液。即先对溶洞内的充填物进行高压清水切割　破坏之后利用气举反循环套洗把溶洞内充填物及　岩屑碎块清除出桩外，再进行孔底自下而上高压　旋喷注浆，最后进行孑Ｌ内注浆及孑Ｌ口压浆。经采用　上述施工方法处理后，桩端持力层溶洞内充填抗　压强度达１０　ＭＰａ以上的高强度固结体，溶洞顶、　底板与水泥固结体紧密胶结。　表２地质构造示意　３．２富湾大桥墩部处置措施　富湾大桥联长较长，由于温度、混凝土收缩徐　变及跨中底板合拢索张拉等，将对边主墩产生很　大的推（拉）力，必须予以妥善处置，本桥设计采　取了下列措施：　（１）采用柔性较大的双壁墩。桥址处水深较深，　也为降低桥墩的纵向刚度提供了条件。　（２）体系温度是双向的（升温、降温），但混凝　土收缩徐变是单向的，因此边主墩的弯矩包络图一　侧大一侧小，给边主墩的设计带来许多问题。在各　种因素中混凝土收缩徐变影响大，其值也不甚确　定。为了改善边主墩的受力，并兼顾到上述的不确　定性，在跨中合拢混凝土灌注前，于合拢处置千斤　顶向主墩侧施以推力，具体数值根据合拢时气温调　整。此值大约抵消混凝土收缩徐变作用的一半。　（３）优化预应力钢束的布置。中跨底板合拢束　６２　桥梁结构　城市道桥与防洪　２０１１年１月第１期　的张拉，将对边主墩产生很大的拉力。富湾大桥经　过优化设计，适当增加了一期钢束（顶板悬臂钢　底板预应力波纹管定位的准确性，避免钢束产生　折角。为了保证混凝土浇注过程中波纹管不发生　束）的用量，从而有效地减少了二期钢束（中跨底　板合拢束）的用量；同时，中跨底板钢束尽量采用　短束，少采用长束。如此处理后，大大减小了中跨　合拢束对边主墩产生的水平拉力。　（４）调整边中跨底板钢束的张拉顺序。边跨合　拢后，只张拉一半的底板钢束，预留一半的边跨底　板钢束在中跨底板钢束张拉完后再张拉。这样可　以有效改善边主墩的受力。　３．３富湾大桥防止跨中合拢段底板的纵向裂缝及　崩裂措施　位移和变形，定位钢筋一定要牢固地焊接在箱梁　钢筋上。　　，３．４富湾大桥预防主梁跨中下挠措施　富湾大桥在设计、施工过程中主要采用以下　措施预防主梁跨中的下挠：　（１）设置足够的预拱度。混凝土的收缩徐变对挠　度的影响较大，而根据目前的理论，较难准确计算，　因此适当加大跨中预拱度，以抵消箱梁的后期下挠。、　（２）考虑到施工及运营中可能会出现的压浆不　饱满、预应力损失过大、预应力锈蚀等现象，预留　以后增加体外预应力的装置，比如预应力转向块　等，以便发现问题后及时采取措施。　（３）混凝土加载龄期越早，混凝土徐变越大　。　所以应严格控制混凝土加载龄期，保证加载龄期　至少５—７　ｄ。　富湾大桥在设计、施工过程中主要采用以下　措施防止跨中合拢段底板的纵向裂缝及崩裂：　（１）间隔分批张拉底板预应力钢束，并分批压　浆，待第一批水泥浆达到强度后再张拉第：－￣ｔＬ预　应力钢束，使截面不致因削弱过多而出现开裂。　（２）加强箱梁横向计算，保证跨中底板有足够　厚度，重视跨中底板横向受力钢筋的设置，以承受　底板预应力径向力的下崩力。　（３）加强底板上下层钢筋之间的系筋的设置，　增设底板预应力防崩钢筋，使底板上下层钢筋与　底板混凝土形成一个整体。　（４）考虑到施工偏差的存在，混凝土收缩徐变　的理论与实际可能存在差异，设计时适当提高预　应力度，提高截面应力的安全储备。　（５）采用真空辅助压浆工艺，从而增强浆体的　饱和度和密实度，使预应力筋得到有效的保护。　（６）增加底板预备束，施工完后暂不压浆，待　混凝土完成一定的收缩、徐变后再张拉。张拉时间　可定在通车１　ａ以后。　（４）合拢段采用钢纤维混凝土。合拢段不但是　结构薄弱的部分，而且该部分为后浇混凝土。箱梁　合拢段混凝土的浇注，使得结构由原来的静定结构　转换为超静定结构，同时由于合拢温度的影响，使　得该部分得应力状况较为复杂。所以富湾桥合拢段　采用钢纤维混凝土，以提高混凝土的抗裂性能。　（５）跨中设置横隔板，使箱梁形成一个整体承　受底板预应力径向力的下崩力。同时该横隔板又　４　结语　该桥至今已通车近２　ａ，运营状况良好，证明　设计是成功的。　参考文献　［１】伍波．大跨径连续刚构桥的常见病害与设计对策【Ｊ】．公路交通　技术，２００５（Ｓ１）：１１１．　’　可以作为纵向体外预应力预备束的转向块。　（６）加强施工控制，严格控制合拢高差，强调　一　【２】冯鹏程．连续刚构桥底板崩裂事故的评析们．世界桥梁，２００６（０１）：６６．　垒一　一　一妥～　，　一　一　一　一－奠一　一丧一　一　一　奠一　一　一安一　一　－　一夔、　一　（上接第４９页）　衬．２００４．　４结语　建立全桥三维实体模型，按照最不利的偏载　方式在横断面上施加荷载，将其计算结果除以居　中荷载结果的方法，思路清晰，实现手段方便可　行。偏载系数是箱梁计算中一个重要的计算参数，　采用正确合理的方法计算，非常必要，这一计算方　法不失为一种好的偏载系数计算方法。　参考文献　【２］ＪＴＧ　Ｄ６２—２００４，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范　［ｓ】．北京：人民交通出版社，２００４．　［３】郭金琼．箱梁设计原理［Ｍ】．北京：人民交通出版社，１９９１．　［４】范立础．桥梁工程（上册）［Ｍ】．北京：人民交通出版社，１９９０．　【５】王勇，刘永健，唐小方．混凝土连续箱梁偏载系数简化算法研究　．长沙交通学院学报，２００６（９）．　［６］程翔云，尚春青．对箱形截面连续粱活载内力增大系数的评述【Ｊ】．　公路。２ｏｏｏ（１）：１７—１９．　【７］程翔云．连续箱梁内力增大系数的计算模型…．重庆交通学院　学报，２Ｏｏ６ｆ４）．　［８］郭忆，叶见曙，万红燕．预应力混凝土箱梁偏载系数试验研究【Ｊ】．　【１］ＪＴＧ　Ｄ６０－２００４，公路桥涵设计通用规范【ｓ］．北京：人民交通出版　黑龙江工程学院学报，２００２，１６（４）．