預應力連續彎箱梁橋的設計與分析

鄧 濤

(長沙縣農村公路管理站，湖南長沙 410100)

0 引言

近年來，隨著我國社會經濟的發展，對公路和城市交通等基礎設施的建設需求也逐年增加，受地形影響的山區高速公路;受線形、現有城區構造物影響的城區高架路、立體式交叉等等工程建設項目也越來越多。曲線梁橋相比于直線橋來說，對地形、地貌、現有構造物以及建設空間的適應性較強，能滿足復雜的建設條件下線形的需求，同時，曲線梁橋還具有弧線優美、行車平順、外觀流暢明快、意境生動等美學價值，因此，在現有許多工程項目中得到應用。

曲線梁橋雖具有以上優點，但由于這種橋本身的結構特點以及建設初期經驗的缺乏，造成已建成通車的部分曲線橋梁發生了許多病害，如:內側支座脫空;梁端向彎道外側“爬移”;伸縮縫變形不均;梁體水平向變位使支座上下鋼板錯位;局部裂縫超過允許值等等。

本文通過對廣東省廣州東沙至新聯高速公路新聯互通D匝道橋的一段曲線梁橋的計算和設計過程，介紹了一些彎梁橋設計中常用的改善彎梁橋結構受力的方案，并驗證了這些解決方案在彎箱梁橋設計應用中的有效性。

1 項目概況

新聯互通式立體交叉是廣州東沙至新聯高速公路第S16標段中的項目，含A，B，C，D匝道橋及上跨主線橋，本文對平面半徑最小的D匝道橋進行計算分析。該橋為21 m+36 m+21 m預應力混凝土連續彎箱梁。橋面寬度為10.5 m，單箱單室，平面位于R=145 m圓曲線上，橋面橫坡為6%;橋面縱坡為R=1 600 m的凸曲線上。設計荷載:公路—Ⅰ級，抗震等級按7度設防。

2 上部結構

新聯互通D匝道箱梁采用C50，橋梁位于R=145 m圓曲線上。橋面布置:0.5 m(防撞欄桿)+9.5 m(行車道)+0.5 m(防撞欄桿)，總寬10.5 m。箱梁為單箱單室(見圖1)，箱梁頂板為28 cm，底板為26 cm，中心位置梁高2 m，腹板寬為55 cm，橋面橫坡通過調整腹板高度來完成。橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土。下部橋墩采用方柱墩配承臺及樁基礎，橋臺采用雙柱式臺配樁基礎。各墩臺支座均為雙支座，其中墩柱處支座間距為2.5 m，橋臺處支座間距為4.5 m，墩柱偏心20 cm。

3 計算模型

本橋的上部結構計算采用《橋梁博士》V3.0程序的梁格法模塊進行計算。根據20.92 m+36 m+20.92 m曲線連續箱梁，用空間梁格法進行有限元模擬。按照梁格網格的劃分原則，縱梁單元劃分(共52 個單元，1.42 m+50 ×1.5 m+1.42 m)，2 根縱梁，橫向間距4.95 m。縱梁單元編號1～104:縱梁1(1～52)、縱梁2(53～104)。橫梁:53根橫梁，縱向間距(1.42 m+50×1.5 m+1.42 m);橫梁單元編號105 ～165。

梁格劃分如圖2，圖3所示。

4 施工過程及預應力

箱梁施工采用分段澆筑。每段箱梁順橋向一次澆筑完畢，沿梁高可分兩至三次澆筑，先底板及腹板根部，再腹板和頂板及翼緣板，但墩頂橫梁應一次澆筑。箱梁接段之間接縫及每段箱梁分層澆筑縫都應按施工縫處理。所有預應力束張拉都需在支架上進行，待混凝土強度達到設計強度90%后方可張拉，張拉需上下左右均勻對稱進行，張拉完后馬上對孔道進行灌漿。該段梁全部預應力張拉完成后方可拆卸支架。

縱向預應力束在逐孔設置支架現澆時預埋并張拉，頂板在腹板處采用12φs15.24 mm鋼絞線，底板在腹板處采用12φs15.24 mm鋼絞線，通束用連接器連長，短索采用5φs15.24 mm鋼絞線，箱梁無豎向預應力。鋼絞線控制應力0.75fpk。

5 針對彎箱梁結構特點采取的措施

1)考慮到內側腹板較低，外側腹板較高。同時橋梁運行時，主梁內側將有翹曲趨勢。因此，本次設計考慮調整內外側腹板預應力鋼束的重心位置。將內側腹板預應力鋼束重心位置豎向上調，經過多次試算，兩側重心高差為11 cm。曲線梁內外側腹板形成反向扭矩，構成預應力應力的預偏心，以求在配筋設計方面盡量抵消結構的扭矩效應。

2)將原設計獨柱單支座改為獨柱雙支座，兩支座間距為3.5 m。雙支座形成抗扭型支撐，將上部結構內外荷載引起的扭矩向下部結構進行傳遞，減小曲線梁梁體受扭對上下部結構產生的不良影響。

3)由于曲線梁存在較大扭矩，通常存在外梁超載，內梁卸載，造成內外側支點反力相差很大，當活載偏載比較嚴重時甚至會產生內側支座脫空的情況。對于這種情況，可以考慮調整支座的中心的偏心值，改善主梁受力。本橋將下部結構支座中心線沿彎梁橫梁方向向外側平移20 cm。

6 計算結果

按照以上三點改善方案計算結果匯總如下:

1)承載能力階段應力計算結果見表1，承載力極限狀態見圖4。

2)使用階段正應力組合分析結果如表2所示。

3)使用階段主應力分析:本橋在短期效應組合作用下，內梁最大主拉應力為－0.92 MPa，外梁最大主拉應力為－0.84 MPa。

表1 承載力極限狀態橋梁內力與抗力 kN·m

4)支撐反力結果:箱梁墩臺處支撐處均往曲線外側設置20 cm偏心，橋臺處支座內外側反力分別為1 820 kN和1 630 kN，橋墩處支座內外側反力為5 730 kN和5 050 kN(見圖5)。

本橋通過調整箱梁內外側腹板預應力重心位置、改單支座為雙支座、修改支座中心與橋梁中心線之間偏心距離等等措施，所得以上計算結果，內外梁的內力，應力，支撐反力結果相差不大，證明這幾項調整是有效而且必要的。

7 結語

曲線梁橋由于本身結構受力的特殊性，較同等跨徑的直線梁橋要復雜，主要是因為主梁與受力支撐無法與結構支撐點位于一條直線上，曲線梁的受力不可避免地存在“彎—扭”耦合作用。因此要在設計和計算中引起足夠的重視。

本文介紹了東新路新聯互通橋設計計算過程中采取的一些有效措施，并驗證了其有效性，可以作為同類橋梁設計的參考。

［1］姚玲森.曲線梁［M］.北京:人民交通出版社，1989.

［2］范立礎.預應力混凝土連續梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1988.

［3］邵容光.混凝土彎梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1996.

［4］孫廣華.曲線梁橋計算［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［5］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.