王桢 王志民 张劲泉 周建庭 吴月星

中交第一公路勘察设计研究院有限公司 重庆交通大学土木工程学院 交通运输部公路科学研究院

摘 要：国内大部分在建和未建的高速公路、一级公路的跨线桥均需在中央分隔带内设置桥墩，因《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81-2017)和《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)于2018年1月1日实施，导致传统的钢筋混凝土桥墩和中央分隔带分设式护栏存在位置冲突。设计一种钢-混组合板式桥墩，可有效解决此问题。该桥墩分为扩头段、中间段和墩底段3部分，墩身内灌注C50自密实补偿收缩混凝土，墩身侧板与灌注混凝土采用A、B两类PBL板连接，PBL板之间设置加劲肋；墩底钢板与承台采用C类PBL板连接，承台横向钢筋从PBL板顶部、中部和底部的圆孔中穿过。该桥墩具有适用范围广，外形轻巧美观，可减少上部结构尺寸、降低工程造价、避免报废工程、工厂批量制作和有效节省工期等诸多优势。采用Midas/Civil 2019进行静力和抗震计算，结果表明该桥墩各项指标均满足规范要求。

关键词：跨线桥;板式桥墩;钢-混组合;PBL板;加劲肋;分设式护栏;中央分隔带;

基金：国家杰出青年科学基金项目，项目编号51425801;重庆市自然科学基金创新群体科学基金项目，项目编号cstc2019jcyj-cxttX0004;重庆市技术创新与应用发展专项，项目编号cstc2019jscx-gksbX0047;

1 工程概况

国家高速公路银川～昆明线(G85)陕西境宝鸡～坪坎公路工程是陕西省两环六辐射三纵七横高速公路网中3条南北纵线之一定汉线的组成部分，项目起于宝鸡市高新区潘家湾村，止于凤县坪坎镇，全长73.238 km。宝坪公路工程主线为双向6车道，设计速度80 km/h, 路基宽度32 m, 在凤县岩湾乡南侧设置A形单喇叭互通式立交，匝道(A匝道2号桥)上跨主线，作为岩湾乡附近出入高速公路的通道，被交路为太凤公路。

A匝道2号桥跨径布置为20 m+2×25 m+20 m, 上部结构采用预应力混凝土(后张法)现浇连续箱梁，单箱三室截面，箱梁高度1.5 m, 箱梁顶板宽度15 m, 箱梁底板宽度11.5 m, 腹板厚度50 cm, 顶板厚度25 cm, 底板厚度22 cm; 下部结构采用肋板台、柱式墩和桩基础。桥梁平面位于缓和曲线(参数A:75,左偏)和圆曲线(半径：130 m, 左偏)上，纵断面位于R=900 m的竖曲线上。地震动峰值加速度为0.15 g, 抗震设计烈度为Ⅶ度，抗震设防措施等级为8度。A匝道2号桥主梁横断面如图1所示。

图1 A匝道2号桥主梁横断面

单位：cm

岩湾互通式立交匝道上跨主线，A匝道2号桥的2号墩布设在主线路基中央分隔带中，中央分隔带宽度2 m, 2号墩直径1.2 m, 墩高7.5 m, 桥墩两侧中央分隔带采用分设式Gr-Am-2E波形梁护栏。中央分隔带和A匝道2号桥2号墩平面关系示意如图2所示。

2 优化设计依据

《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81-2017)和《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)(下文简称为新交安设计规范)于2018年1月1日实施。经对A匝道2号桥进行设计核查，发现2号墩两侧中央分隔带护栏的设计形式和防护等级不满足新交安设计规范的规定，主要有以下3点。

图2 中央分隔带和A匝道2号桥2号墩平面关系示意

单位：cm

(1)对双向6车道高速公路，或未设置左侧硬路肩的双向8车道及以上高速公路，或对双向6车道及以上一级公路，中央分隔带宽度小于2.5 m并采用分设式护栏形式，同时中央分隔带内设有车辆不能安全穿越的障碍物的路段，事故严重程度等级为中，路基护栏防护等级应采用四(SB、SBm)级。

(2)设计交通量中，总质量大于或等于25 t的车辆自然数所占比例大于20%时，导致事故发生可能性增加或后果更严重的路段，路基护栏防护等级宜提高1个等级。

(3)大型车辆所占比例较大的路段，除位于冬季风雪较大的地区外，中央分隔带护栏宜使用混凝土护栏。

考虑到宝坪公路工程是《国家公路网规划(2013年～2030年)》银川～昆明高速公路(G85)的组成部分，中长期(2022年～2041年)预测大型车辆所占比例为41.7%～52.5%;宝鸡市岩湾乡位于积雪线以下且冬季暴风雪不严重，100年重现期风速值为27.4 m/s, 故A匝道2号桥2号墩两侧中央分隔带护栏应采用分设式SAm级加强型混凝土护栏。

原设计采用Gr-Am-2E波形梁护栏，护栏宽度26.4 cm, 包括立柱直径14 cm、梁板厚度8.5 cm和托架厚度3.9 cm。因为建筑界限边界线和A匝道2号桥2号墩的距离为15 cm, 大于波形梁护栏梁板厚度8.5 cm; 波形梁护栏立柱间距2 m, 大于2号墩直径1.2 m, 所以Gr-Am-2E波形梁护栏和2号墩位置不冲突。

优化设计后采用SAm级加强型混凝土护栏，护栏厚度50.3 cm, 混凝土护栏和2号墩位置重合23.1 cm, 导致桥墩无法施工。A匝道2号桥2号墩和护栏位置关系示意如图3所示。

图3 A匝道2号桥2号墩和护栏位置关系示意

单位：cm

有鉴于此，需要对A匝道2号桥进行优化设计。

3 设计方案比选

考虑到现有施工现状、施工工期、工程造价和避免出现报废工程等多种因素[1,2,3],结合新交安设计规范的规定和岩湾互通式立交匝道纵断面设计现状，拟定设计方案如下。

设计方案1:因混凝土护栏无需考虑最大横向动态位移外延值，存在将A匝道2号桥2号墩优化设计为钢-混组合板式桥墩的空间，桥墩所在路段内外侧边缘线采用震动标线，贴黑黄相间反光膜，同时将中央分隔带Gr-Am-2E波形梁护栏调整为SAm级加强型混凝土护栏。

新交安设计规范规定：护栏最小防护长度应根据车辆驶出路外的轨迹和计算净区宽度范围内障碍物的位置、宽度确定，即护栏防护长度由a障碍物长度，b为了避免驶出路外车辆碰撞障碍物的延长部分和c护栏端头组成。对设计速度80 km/h的双向车道公路，通常情况b取值60 m, 事故严重程度较高的情况b取值85 m。

A匝道2号桥箱梁顶板宽度15 m, 高速公路事故严重程度较高，故a取值15 m,b取值85 m, 中央分隔带单侧SAm级加强型混凝土护栏长度185 m。

设计方案2:考虑到中央分隔带内设置桥墩对运营始终存在安全隐患，将桥梁优化设计为单跨跨越主线路基，且不改变中央分隔带护栏形式，对互通立交区A～E匝道纵断面、A匝道2号桥的桥梁跨径进行调整。因新交安设计规范实施前，桥梁部分桩基施工完毕，存在报废工程。

表1为A匝道2号桥优化设计方案比选；图4为钢—混组合板式桥墩和混凝土护栏位置关系示意，由表1、图4可以得出如下结论。

表1 A匝道2号桥优化设计方案比选

设计方案

纵断面

桥梁跨径/m

中分带设墩

中分带护栏形式

报废工程/万元

工程造价/万元

比选结果

1

不变

20+2×25+20

是

SAm级加强型混凝土护栏，长度370 m

0

38.2

推荐方案

2

调整A～E匝道

25+46+25

否

Gr-Am-2E波形梁

43.8

182.9

比选方案

图4 钢—混组合板式桥墩和混凝土护栏位置关系示意

单位：cm

(1)设计方案1采用钢—混组合板式桥墩，混凝土护栏和桥墩间距7 cm, 位置不重合。桥墩钢板在工厂加工，节省工期，未出现报废桩基，工程造价变动较小。

(2)设计方案2为桥梁单跨跨越主线路基，上部结构尺寸变大，已采购箱梁模板需要退换，工程量增大，工程造价变动较大。下部桩基施工完毕，出现报废工程，需重新施工，工期加长。

基于上述考虑，A匝道2号桥采用设计方案1进行优化设计。

4 钢-混组合板式桥墩设计

A匝道2号桥2号墩墩高7.5 m, 原设计为直径1.2 m钢筋混凝土三柱式桥墩，优化设计为11.56 m×0.6 m矩形截面钢-混组合板式桥墩。桥墩分为扩头段、中间段和墩底段，墩身内灌注C50自密实补偿收缩混凝土，墩身侧板与灌注混凝土、墩底钢板与承台采用PBL板连接。桥墩采用JPZ(Ⅱ)7.0型盆式橡胶支座，平行于宝坪主线设计线，与A匝道路线设计线右偏角94.8°。

4.1墩身构造

墩身顶板、侧板、底板、加劲肋和PBL板采用Q345qDNH钢，钢板厚度24 mm。墩身侧板分为扩头段和中间段，内焊接圆柱头焊钉，型号为ϕ16×150 mm, 间距为300 mm×300 mm, 单侧面焊钉纵桥向布设39个，横桥向布设2个，墩身共1 560个。墩身侧板内灌注C50自密实补偿收缩混凝土，墩身侧板与灌注混凝土采用PBL板连接。在墩身扩头段存在A、B两类PBL板，长度分别为0.8 m和1.1 m, 每间隔0.5 m设一道加劲肋，肋条尺寸1 430 mm×90 mm; 在墩身中间段为C类PBL板，长度5.7 m, 每间隔1 m竖向设一道加劲肋，肋条尺寸530 mm×90 mm。PBL板纵桥向间距0.5 m, 横桥向间距0.37～1.27 m, 宽度0.09 m, 板上设一排ϕ50 mm圆孔，孔间距0.1 m。墩脚加劲板为梯形截面，纵桥向间距0.5 m, 横桥向间距0.3 m, 长度0.3 m, 宽度0.2 m。

墩身侧板与顶、底板的连接焊缝采用全熔透对接焊，质量等级为一级，使用引弧板；沿受力方向打磨平齐，两侧施焊，实施无损检测。墩身侧板扩头段和中间段的对接焊缝采用Ⅰ级单侧坡口熔透焊，需对起焊/终焊位置进行焊后处理，确保修复效果。PBL板与墩身侧板、加劲肋，墩脚加劲板与墩身侧板、墩底钢板的连接焊缝采用Ⅱ级双面贴角焊，焊脚尺寸不小于10 mm, 应仔细打磨焊缝端部，除去咬边。桥墩墩身构造示意如图5所示。

图5 桥墩墩身构造示意

单位：cm

4.2墩底钢板和承台的连接

墩底钢板长度12.16 m, 宽度1.2 m, 厚度24 mm, 钢板上设置一排ϕ40 mm椭圆形状的通气孔，气孔尺寸160 mm×80 mm, 间距1.01 m。承台采用钢筋混凝土，长度13.76 m, 宽度2.8 m, 高度2.2 m。

墩底钢板和承台采用384个PBL板连接，纵桥向间距0.08 m, 横桥向间距0.168 m或0.176 m。承台PBL板长度1.4 m, 宽度0.11 m, 厚度24 mm, 板上设置一排ϕ50 mm圆孔，孔间距0.1 m。承台横向钢筋从PBL板顶部、中部和底部的圆孔中穿过，纵向钢筋和PBL板位置冲突时应调整钢筋位置。墩底钢板与PBL板的连接焊缝采用全焊透T形连接焊，质量等级为一级，应仔细打磨焊缝端部，除去咬边。墩底钢板和承台连接构造示意如图6所示。

4.3桥墩安装和混凝土灌注

钢-混组合板式桥墩分为扩头段、中间段和墩底段。墩底钢板和PBL板，墩身侧板和PBL板，墩身侧板和顶板的焊接均在工厂制作完成，墩身侧板和底板的焊接在工地现场的临时工作棚内完成。在工厂制作完成后，采用大平板车运输至工地现场进行安装。在运输过程中，应保护好焊钉，避免焊钉触碰脱落，同时加强桥墩的防护和支撑，固定牢固，防止变形和倾覆[4,5,6]。钢—混组合桥墩安装实景如图7所示。

桥墩安装完成后，墩身内灌注C50自密实补偿收缩混凝土，应灌注至通气孔匀速冒出混凝土骨料，且持续冒出2 min以上时，方可停止灌注操作。在灌注过程中，应在墩身侧板外壁采用木槌敲击或者其他无损方式振捣，确保密实。

图6 墩底钢板和承台连接构造示意

单位：cm

图7 钢—混组合板式桥墩安装实景

4.4涂装防腐

桥址区属于I类环境，腐蚀环境按C3选取，采用长效型25年。考虑耐候钢最终颜色为棕红色，对钢—混组合板式桥墩外表面着色漆前，应除去氧化层。钢—混组合桥墩涂装体系见表2。

表2 钢—混组合板式桥墩涂装体系

色漆部位

防护方案

道数

厚度μm厚度μm

墩身外表面

丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆

2

80

总干膜厚度

80

5 结构计算

为研究钢-混组合板式桥墩的结构受力，采用桥梁专用有限元软件Midas/Civil 2019建立计算模型，A匝道2号桥有限元模型如图8所示。桥墩和箱梁结合部位采用弹性连接模拟，桥台支座采用一般支承模拟，约束竖向，横桥向线位移。

5.1静力计算

考虑的荷载有恒载、收缩徐变、汽车荷载、制动力、风荷载和温度作用等，静力计算结果如下。

(1)在荷载效应组合下，钢—混组合板式桥墩外侧钢板最大压应力为25.4 MPa, 混凝土最大压应力4.32 MPa, 未出现拉应力。

(2)在正常使用极限状态，钢—混组合板式桥墩墩顶水平位移为1.6 mm, 小于L/300=8.3 mm。

图8 A匝道2号桥有限元模型

(3)全桥整体一阶线弹性稳定系数为46.1,大于4,失稳模态为桥墩纵桥向弯曲失稳。

5.2抗震计算

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01—2008)的规定，A匝道2号桥的结构属于B类桥梁，采用E1地震作用(50年超越概率40%)和E2地震作用(50年超越概率2%)两种地震动水平进行抗震设防。

抗震计算采用非线性动力时程分析方法进行桥梁减隔震动力分析。结合《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01—2015)和河南省地方标准《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》(DB 41/T 643-2010)的规定，进行桥墩承台钢—混结合段(墩底钢板和PBL板)局部计算[7,8,9,10,11,12]。抗震计算结果如下。

(1)在E1地震作用下，钢-混组合板式桥墩外侧钢板处于弹性阶段，正应力为109 MPa, 小于容许应力(270 MPa);剪应力为21.4 MPa, 小于容许剪应力(155 MPa)。

(2)在E2地震作用下，钢—混组合板式桥墩外侧钢板处于弹性阶段，正应力为254 MPa, 小于容许应力(270 MPa);剪应力为63 MPa, 小于容许剪应力(155 MPa)。

(3)在E2地震作用下，支座纵桥向最大位移为0.12 m, 横桥向最大位移为0.11 m, 均小于容许位移(0.15 m)。

(4)在E2地震作用下，钢—混组合板式桥墩墩底钢—混结合段(墩底钢板和PBL板)的纵桥向弯矩为12 314.7 kN·m, 横桥向弯矩为11 734.3 kN·m, 小于抗弯承载力(20 015.4 kN·m);纵桥向剪力为1 221.4 kN,横桥向剪力为857 kN,小于抗剪承载力(29 462.4 kN)。

6 结语

以在建的国家高速宝坪公路工程岩湾互通式立交A匝道2号桥为工程背景，对跨线桥中央分隔带内的钢-混组合板式桥墩的优化依据、方案比选、结构设计、静力性能和抗震性能进行分析，得到以下结论。

(1)钢—混组合板式桥墩符合新交安设计规范的规定，有效解决了传统的钢筋混凝土桥墩和中央分隔带分设式护栏位置冲突的问题。该桥墩适用范围广，可用于中央分隔带宽度小于2.5 m并采用分设式护栏形式的大部分在建和未建的双向6车道高速公路、未设置左侧硬路肩的双向8车道及以上高速公路和双向6车道及以上一级公路。

(2)与单跨跨越的桥式方案相比，跨线桥中央分隔带内设置钢—混组合板式桥墩，具有可减少上部结构尺寸、降低工程造价、避免报废工程、工厂批量制作和有效节省工期等优势。

(3)钢—混组合板式桥墩厚度仅为60 cm, 可避免跨线桥中央分隔带内传统的钢筋混凝土桥墩和波形梁护栏两者紧贴的难看外观。该桥墩外形轻巧美观，与中央分隔带的混凝土护栏搭配自然协调。

(4)钢—混组合板式桥墩受力性能良好，满足抗震规范的规定，可适用于高烈度地震山区。

随着我国公路交通网的不断建设完善，必然面临大量跨线桥中央分隔带内设置桥墩的情况，本文研究成果可为此提供参考，促进钢—混组合板式桥墩的推广应用。

参考文献

[1]刘涛，张浩杰.混凝土公路桥梁墩身刚度及开裂对整体受力影响的有限元分析[J].公路工程，2019,44(6):234-239.

[2]曾智荣.某铁路黄河特大桥桥墩改造技术[J].桥梁建设，2019,49(4):113-118.

[3]吴迪，陈学军，黄翔，等.海水环境下桥墩抗冲刷技术研究[J].公路工程，2019,44(5):93-98.

[4]陈旭，周东华，徐从发，等.钢筋混凝土圆形桥墩的延性分析[J].公路工程，2018,43(2):47-52,80.

[5]吴庆雄，佘智敏，袁辉辉，等.钢管混凝土箱形叠合超高墩设计与静力性能分析[J].桥梁建设，2019,49(6):84-89.

[6]杨占群.钻孔灌注桩后压浆技术在某特大桥主墩施工中的应用[J].公路工程，2019,44(4):154-157.

[7]耿波，张于晔，秦明霞，等.预制节段拼装桥墩的地震损伤指标研究[J].公路工程，2019,44(5):4-8+41.

[8]郑新亮，谢毅，高爽.腐蚀环境对钢筋混凝土桥墩的抗震性能影响分析[J].公路工程，2019,44(6):94-97+146.

[9]吕英婷，郭子雄，刘阳，等.震损可原位修复钢桥墩设计及其抗震性能[J].中南大学学报：自然科学版，2019,50(8):1960-1970.

[10]陈旭，张南，王慧，等.考虑剪切效应的混凝土桥墩撞击动态力学特性研究[J].公路工程，2017,42(4):95-101.

[11]刘海证，李睿，徐征.泡沫铝外包混凝土桥墩防撞性能研究[J].公路工程，2019,44(4):13-17+40.

[12]李界全，张南，高闵.桥墩撞击力计算及影响因素研究[J].公路工程，2018,43(2):23-29.