任蒙 王曉寧 丁少凌

中交第二公路勘察設計研究院有限公司

摘 要：京雄高速雄安新區特大橋為京雄高速與新區的銜接段，考慮快速施工、橋下土地遠期作為城市道路利用，兼顧美觀，標準橋寬34.5m上構設計為預製裝配式小箱梁，下構設計為大懸臂花瓶墩，預應力混凝土蓋梁懸臂長11.80m;設置上下橋匝道的變寬段設計為單箱多室預應力混凝土現澆梁，外腹板斜率與標準段小箱梁保持一致，維持橋樑的外觀整體性，橋墩採用四肢墩，邊墩與中墩之間預留城市道路行車空間。為提高城市生命線工程的抗震安全，預製小箱梁採用鉛芯橡膠支座隔震體系，現澆箱梁採用摩擦擺支座隔震體系;相應的設置了大伸縮量伸縮縫，並在橫橋向設置了防落梁擋塊。

關鍵詞：京雄高速;城市高架橋;預製小箱梁;大懸臂墩;

1 工程概況

北京至雄安高速是雄安新區開發的核心配套工程，是連接北京城區和雄安新區最便捷的高速通道。新區特大橋為京雄高速進入雄安新區範圍內的一座特大橋;全長3596.5m，因下穿霸徐鐵路，分為兩段。設計標準為雙向六車道高速公路，設計時速120km/h，標準橋寬34.5m，公路—Ⅰ級荷載。

雄安新區特大橋位於雄安新區範圍內，考慮到遠期發展，雄安新區特大橋具有城市高架橋的特徵;需兼顧橋下土地利用、橋樑美觀等城市橋樑的要求;綜合考慮，雄安新區特大橋標準橋寬段採用上構預製小箱梁下構大懸臂花瓶墩形式，橋墩懸臂下保留城市道路的行車淨空;設置上下橋匝道的變寬段，採用單箱多室現澆箱梁，側面外形與預製小箱梁保持一致;橋墩採用四肢墩支撐，在外側兩個橋墩中間同樣保留了橋下城市道路的行車空間。

城市高架橋的大懸臂花瓶墩蓋梁受力、地震動作用下預製小箱梁和超寬現澆箱梁的的受力體系和抗震策略，是本項目勘察設計的關鍵點。

2 建設條件

2.1 地質條件

項目區位於冀中平原中部，在大清河水系沖積、洪積扇上，地形地貌類型簡單，地形平坦，地表出露地層為第四系鬆散層，橋樑所在場地60.0m深度範圍內以第四系全新統沖洪積層(Q4al)及上更新統沖積層(Q3al)為主，整體地質條件較好;橋樑均採用群樁基礎。

2.2 地震動

路線所經區域容城縣，基本地震動峰值加速度值為0.10g，基本地震動加速度反應譜特徵周期為0.40s，對應抗震設防烈度Ⅶ度。《河北雄安新區規劃綱要》規定:「新區抗震基本設防烈度Ⅷ度。」京雄高速新區大橋按照Ⅷ度進行抗震設防，場地中軟土等效剪切波速為201.8m/s，場地類別Ⅲ類。

3 預製小箱梁設計

3.1 預製小箱樑上下構設計

雄安新區內地形平坦，橋面距離地面13.0m左右;非常適用於採用預製裝配施工工藝，綜合考慮，標準30m跨34.5m寬橋樑，採用預製小箱梁，梁高1.8m，橫向12片梁;預製梁質量可靠，架橋機架設便捷。位於曲線上的等寬預製小箱梁，橋墩間曲線內外弧長度不同，採取如下措施實現:預製梁採用標準梁長，通過小箱梁墩頂現澆段長度不同來實現不同的梁長，從而達到曲線梁內外弧的變長;路線平曲線外緣形狀通過調整預製小箱梁邊梁外側翼緣尺寸來實現。

為儘量減少橋墩占地，實現土地充分利用，確保橋下輔道的行車淨空，預製小箱梁採用雙柱大懸臂花瓶墩;橋寬34.5m，支撐蓋梁33.60m，雙立柱外側橫向距離10.0m，蓋梁單側懸出立柱11.80m;懸臂端部截面尺寸為2.5m×1.5m，根部截面尺寸為2.5m×3.2m，蓋梁懸臂與墩柱之間採用R=350cm倒角。

大懸臂蓋梁混凝土型號設計為C50,16根15-19,1860MPa鋼絞線兩端張拉錨固於端部。考慮到蓋梁懸臂較大，小箱梁架設過程中蓋樑上下緣拉壓應力均較大，預應力鋼束採用兩階段分批張拉:(1)澆築完畢後混凝土立方體強度達到設計強度等級90%，且齡期不少於7天時，對稱張拉位於蓋梁頂部N1和蓋梁下緣的N3預應力鋼束。(2)吊裝預製小箱梁，吊裝時按照從中間到兩邊對稱吊裝的原則，待蓋樑上預製小箱梁施工完成後，對稱張拉位於蓋梁中部的N2鋼束。

圖1 預製小箱樑上下構示意圖

張拉鋼束N1、N3後，蓋梁懸臂端部上拱為1.94cm;架設箱梁後，蓋梁最大下撓度為0.29cm;張拉鋼束N2後，蓋梁懸臂最大上拱為0.93cm;即施工階段蓋梁最大位移1.94cm遠小於其懸臂長度的1/300。使用階段，在汽車活載作用下，懸臂端部最大撓度為0.725cm;考慮混凝土的長期撓度增長係數，汽車荷載頻遇值在蓋梁懸臂端產生的長期撓度0.76cm，遠小於規範限值3.93cm。綜上所述，大懸臂蓋梁在保留橋下形成淨空的同時，使用性能較好。

圖2 橋墩蓋梁斷面預應力布置 下載原圖

3.2 預製小箱梁約束體系及地震動作用下的結構性

3.2.1 約束體系

3×30m預製小箱梁，採用縱向連續結構，中墩頂採用預應力鋼束和墩頂現澆連續段連接;墩梁連接採用中墩固定，過渡墩縱向滑動。中墩處每片小箱梁一個支座支撐，過渡墩處每片小箱梁橫向兩個支座支撐。中墩處墩梁連接設計為鉛鋅隔震橡膠支座，邊墩處墩梁連接設計為四氟滑板橡膠支座。

圖3 3×30m跨34.5m橋寬預製梁支座平面布置(1/4,mm) 下載原圖

3.2.2 抗震策略

雄安新區採用Ⅷ度抗震設防;京雄高速新區特大橋採用典型城市高架橋形式，本項目推薦採用減隔震設計，確保橋樑在2000年重現期E2地震，最大地震動加速度0.34g作用下，減隔震支座正常工作，橋樑結構安全。預製小箱梁減隔震支座採用鉛芯橡膠支座，地震作用下橋樑結構塑性變形和耗能集中於支座，保護了橋樑下構的抗震安全，相應的梁體地震動位移較大;預製小箱梁採用縱向結構連續體系，縱向不設置防落梁裝置，但在橋台及橋墩處每片小箱梁均設置橫橋向防落梁擋塊，在擋塊近小箱梁側設置橡膠緩衝墊。

圖4 E2地震時程作用下的支座支座縱向力與縱向位移 下載原圖

圖5 E2地震時程作用下的支座橫向力與橫向向位移 下載原圖

鉛芯橡膠支座採用J4Q620×620×175G1.0，豎向承載力3000k N;剪應變達到1.75時，對應的支座縱橫向位移為182mm。地震動時程作用下，有限元模型中鉛芯橡膠支座簡化為雙線性模型;支座屈服力為193k N，線彈性剛度為16.4k N/mm，塑性剛度為2.5N/mm。如圖4，圖5所示，E2地震作用下支座縱向最大位移為109mm，橫向最大位移為113mm;對應的每片小箱梁傳遞至橋墩的最大地震力為縱向437k N，橫向426k N;橋墩在配置雙層28mm HRB400鋼筋的情況下，結構安全。綜合考慮靜力作用下的位移，本項目相鄰兩聯橋之間選用240mm伸縮縫;墩頂橫向擋塊與預製小箱梁之間橫向間距為120mm，確保地震動作用下減隔震支座摩擦耗能實現，避免縱向梁體之間、梁體與橫向防落梁擋塊之間在減隔震支座行程內發生碰撞。

4 現澆箱梁的設計

上下匝道加寬段橋樑採用30m跨變寬整體現澆箱梁，整體箱邊腹板斜率與預製小箱梁保持一致，斜率均為4∶1;為保持橋下輔道的順暢，變寬整體箱梁採用四柱支撐，邊墩與中墩間保持不小於11.75m的淨距。

4.1 現澆箱樑上下構設計

京雄高速雄安新區大橋第四聯處設置上下橋匝道，採用3×30m橋跨布置，橋寬4713.1cm～5470.1cm，採用單箱九室現澆整體箱梁，箱梁頂底平行，梁高為2.2m;邊斜腹板斜率為4:1，翼緣寬2.50m。變寬箱梁通過翼緣寬度不變，箱室間腹板中心距增減實現。

跨中標準段箱梁頂板翼緣端部厚22cm，根部55cm;箱梁跨中腹板間頂底板厚25cm，斜腹板與中腹板均厚50cm;墩頂處頂底板漸變為45cm，邊斜腹板、中直腹板漸變為75cm，邊腹板內側漸變，中直腹板橫向兩側漸變，漸變段長度2.5m。端支點、中支點橫樑均採用預應力混凝土結構，除支點外箱內無橫隔板。現澆整體箱梁按照按A類預應力混凝土構件設計，C50混凝土頂底板、腹板均設置縱向預應力鋼束。

考慮到箱梁較寬，變寬現澆箱梁採用四支點支撐，中間兩支點對應雙柱弧形中墩，兩側支點對應兩側單柱邊墩;邊墩與中墩間淨距不小於11.75m，在箱梁底寬度小於邊中墩支撐間距20.05m處，如圖6所示，整體箱梁通過端橫樑、中橫樑外伸出箱梁腹板或箱梁翼緣支撐在邊墩。雙柱弧形中墩，墩底間距10.5m，墩頂橫向微展，墩頂間距12.0m。墩頂處採用弧形系梁連接，基礎採用分離式基礎，單柱基礎採用4根直徑1.8m的樁，樁間距4.5m，中墩雙柱承台間設置橫系梁。單柱邊墩截面尺寸為1.8m×2.2m(橫×順)，下設2根D=1.8m樁基，順橋向布置。

圖6 現澆整體箱樑上下構示意圖 下載原圖

4.2 現澆箱梁約束體系及地震動作用下的結構性能

4.2.1 約束體系

3×30m混凝土現澆梁，採用縱向連續結構，中墩1處支座縱向固定，其餘縱向均釋放的約束方式，以適應溫度縱向變形;每個橋墩處橫向均設置4個豎向支撐，中間兩支座與橋面中心線距離為6.0m，邊支座與中支座中心距根據橋寬進行變化，最小間距大於13.15m。中支座其中一個橫向固定，其餘三個支座橫向均釋放，以適應溫度橫向變形。

圖7 3×30m現澆整體箱梁約束系統平面圖 下載原圖

橫向多支座之間的支座力分配，受支座間距、橫樑剛度多種因素控制，採用有限元分析模型考慮橫樑剛度，得出在橫向中支點間距12.0m固定的情況下，邊中支座的受力分配與邊中支座之間距離密切相關;邊中支座間距越大，支座受力越均勻。綜合考慮，中墩中間支座豎向承載力採用22500k N，邊支座採用15000k N;邊墩中支座豎向承載力採用10000k N，邊支座採用7000k N。

表1 現澆整體箱梁橫向四支座豎向力分配表 下載原圖

4.2.2 抗震策略

現澆箱梁同樣採用減隔震策略;減隔震支座採用摩擦擺支座，通過支座剪斷後的塑性剛度來達到上下構之間的隔震目標，通過球形支座的球面擺動實現梁體復位和支座耗能。現澆箱梁採用縱向結構連續體系，僅增大過渡墩縱向寬度，不另外設置防落梁裝置，;現澆箱梁底伸出混凝土防撞擋塊，作為橫向防落梁裝置，限制地震動作用下箱梁的過大橫向位移。

圖8 E2地震時程作用下摩擦擺支座縱向力與縱向位移 下載原圖

圖9 E2地震時程作用下摩擦擺支座橫向力與橫向向位移 下載原圖

中墩摩擦擺支座採用KZQZ-22500-GD，曲面半徑R=6m，豎向承載力3000k N;非線性地震動時程分析中，摩擦擺支座雙線性模型參數為:支座剪斷力為681.8k N，線性階段剛度為341k N/mm，塑性階段剛度為3.75k N/mm。如圖8、圖9所示，E2地震動時程中，支座最大縱向位移為98mm，最大橫向位移為110mm;對應的支座傳遞至橋墩的最大縱向剪力1062k N，橫向剪力1026k N;橋墩在配置雙層28mm HRB400鋼筋的情況下，結構安全。綜合考慮靜動力作用下的位移，本項目相鄰兩聯現澆梁橋之間選用240mm伸縮縫，箱底伸出的防落梁擋塊與橋墩間淨距為150mm，確保E2地震動荷載下支座隔震功能的發揮。

5 結語

京雄高速雄安新區大橋位於雄安新區範圍內，採用城市高架橋標準，下構採用大懸臂花瓶墩、四肢墩等，預留遠期橋下城市輔道;為提高新區的城市抗震能力，採用減隔震策略，預製小箱梁採用鉛芯橡膠支座，現澆箱梁採用摩擦擺支座，在相鄰聯間設置了大伸縮量伸縮縫確保地震作用下減隔震支座的功能;並在梁體橫向設置了放落梁擋塊;確保了交通生命線工程的抗震安全，對類似城市高架橋的設計提供了良好的借鑑。

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