東牙溪大橋主橋設(shè)計(jì)

陳敬仲

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司廈門分公司，福建廈門 361012）

1 工程概述

東牙溪大橋位于福建省三明市富興堡街道上游的村頭村，為“國(guó)省干線橫六線三元區(qū)村頭至荊東公路段一期工程村頭至槐林段”中的分項(xiàng)工程，工程設(shè)計(jì)起點(diǎn)位于現(xiàn)狀省道306加油站南側(cè)的堆煤場(chǎng)處，與現(xiàn)狀省道306順接，沿麥克奧迪光學(xué)廠北邊的小山坡跨越東牙溪后，在富興變電站后山的南側(cè)山坡自北向南展線，終點(diǎn)與306省道改線配套工程平交，路線長(zhǎng)度1.122 km。

橋梁起點(diǎn)接省道306，起點(diǎn)里程K0+037.4，終點(diǎn)里程為K0+735.1，全長(zhǎng)697.7 m。橋梁孔跨布置為 3 ×30m+2×30m+3×40m+50 m+4×80 m+50 m，按4聯(lián)設(shè)置。主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱型連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土等截面箱型連續(xù)梁橋。

2 橋型布置

主橋采用整體斷面，橋?qū)挒?1 m，主橋平面位于R=550 m的圓曲線上。

主橋主墩9#～13#橋墩采用雙薄壁墩，墩梁固結(jié)，墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

主橋橋型布置見圖1，橫斷面布置見圖2。

圖1 主橋橋型布置圖（單位：cm）

圖2 主橋箱梁橫斷面布置圖（單位：cm）

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 箱梁結(jié)構(gòu)尺寸

主梁采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱雙室箱形截面，支點(diǎn)梁高5.0 m，跨中梁高2.4 m，梁高按1.6次拋物線變化，箱梁頂寬21 m，懸臂長(zhǎng)4 m，箱底寬13 m，頂板厚0.28 m，底板厚0.26～0.6 m，一般段腹板厚0.5 m，中支點(diǎn)附近腹板厚0.7 m。主墩設(shè)雙中橫隔梁厚1.3 m，對(duì)應(yīng)雙薄壁墩設(shè)置，端橫隔梁厚1.5 m，主跨跨中設(shè)橫隔板，橋面板橫向按橋面橫坡設(shè)置，梁底面平行于橋面設(shè)置，橫向梁高相等，支點(diǎn)處梁底設(shè)墊塊調(diào)平。箱梁橫斷面見圖3。

圖3 箱梁橫斷面圖（單位：cm）

3.2 箱梁預(yù)應(yīng)力體系

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，塑料波紋管成孔，真空灌漿工藝。縱向預(yù)應(yīng)力采用19-φs15.24、17-φs15.24、12-φs15.24和9-φs15.24群錨體系；橫向預(yù)應(yīng)力采用BM3-φs15.24扁錨體系，間距0.5 m；豎向預(yù)應(yīng)力采用D25精扎螺紋鋼筋，間距0.5 m。

本橋主橋采用懸臂澆筑施工，主梁0＃節(jié)段在墩旁支架上澆注，1#～10#梁段采用掛籃懸臂澆注，0＃節(jié)段長(zhǎng)11 m，合攏段長(zhǎng)2.0 m，懸臂澆筑梁段長(zhǎng)為3.0～4.0 m。施工掛籃及模板總重應(yīng)控制在900 kN之內(nèi)。預(yù)應(yīng)力立面布置見圖4。

3.3 下部結(jié)構(gòu)

9#～13#主墩墩身采用雙薄壁墩，墩厚為1.3 m，墩寬13 m，雙薄壁中心距3.8 m，墩身橫橋向按道路中線徑向布置，墩高約30～50 m，主墩與梁體固結(jié)；主墩10號(hào)、11號(hào)和12號(hào)墩因墩高較高，在墩中間區(qū)段設(shè)置一道橫系梁，以增加高墩的穩(wěn)定性。主墩基礎(chǔ)采用12根φ1.8 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚3.5 m。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

4.1 縱向靜力計(jì)算模式及荷載

主橋采用Midas Civil進(jìn)行空間計(jì)算，計(jì)算模型見圖5。本橋主橋共5處懸臂澆筑的T構(gòu)段，考慮掛籃成本，使用3對(duì)掛籃先進(jìn)行中間3個(gè)墩的T構(gòu)梁段的施工，跨中合攏后，再進(jìn)行次邊墩T構(gòu)梁段的施工，再合攏次邊跨和邊跨。主橋模擬實(shí)際施工步驟到成橋運(yùn)營(yíng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中考慮了樁與地基土的相互作用。計(jì)算荷載包括：自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力的加載、混凝土不同齡期的收縮和徐變、施工荷載等影響。在成橋運(yùn)營(yíng)階段，考慮了汽車荷載、人群荷載、支點(diǎn)沉降、制動(dòng)力、溫度力、風(fēng)力等作用與影響。其中溫度計(jì)算考慮了體系升降溫，梁的溫度梯度。

除上述計(jì)算外，對(duì)高墩的自體穩(wěn)定性、上部結(jié)構(gòu)最大懸臂狀態(tài)的施工穩(wěn)定性和全橋的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

另外，在下部結(jié)構(gòu)計(jì)算中，對(duì)縱橫向風(fēng)力及各種作用引起的墩截面的扭矩也進(jìn)行了計(jì)算組合。

4.2 上部結(jié)構(gòu)縱向靜力計(jì)算結(jié)果

由于篇幅限制，本文只列舉主要計(jì)算結(jié)果。

（1）施工階段驗(yàn)算

施工階段標(biāo)準(zhǔn)組合混凝土正截面應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果：最大壓應(yīng)力為12.37 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的容許壓應(yīng)力22.68 MPa，最大拉應(yīng)力為-0.52 MPa，滿足規(guī)范受力要求。

（2）運(yùn)營(yíng)階段驗(yàn)算

正常使用階段承載能力基本組合正截面強(qiáng)度安全系數(shù)最小值為：K=1.04，位于中跨跨中；斜截面抗剪強(qiáng)度安全系數(shù)最小值為：K=1.15，位于橋墩支點(diǎn)位置；截面抗扭承載力安全系數(shù)最小值為：K=1.03，位于梁端支點(diǎn)位置，滿足規(guī)范受力要求。

正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果：正截面應(yīng)力除在梁端上緣局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力外，其它位置均受壓，最小壓應(yīng)力為0.37 MPa，位于中跨1/4跨附近下緣，滿足規(guī)范受力要求；斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果：斜截面主拉應(yīng)力除在梁端局部位置出現(xiàn)超限的拉應(yīng)力外，其它位置的最大拉應(yīng)力為-0.86 MPa，位于橋墩支點(diǎn)附近，小于規(guī)范規(guī)定的容許拉應(yīng)力-1.325 MPa，滿足規(guī)范受力要求。

正常使用極限狀態(tài)長(zhǎng)期效應(yīng)組合正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果：正截面應(yīng)力除在梁端上緣局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力外，其它位置均受壓，最小壓應(yīng)力為0.58 MPa，位于中跨1/4跨附近下緣，滿足規(guī)范受力要求。

圖4 鋼束立面布置圖（單位：cm）

圖5 有限元計(jì)算模型

正常使用持久狀況標(biāo)準(zhǔn)組合正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果：正截面最大壓應(yīng)力為15.2 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的容許壓應(yīng)力19.44 MPa，滿足規(guī)范受力要求；斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果：斜截面最大主壓應(yīng)力為15.2 MPa,小于規(guī)范規(guī)定的容許壓應(yīng)力19.44 MPa，滿足規(guī)范受力要求。

正常使用極限狀態(tài)按荷載短期效應(yīng)組合計(jì)算的長(zhǎng)期撓度最大值57.8×1.425=82.4 mm，扣除結(jié)構(gòu)的自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度后，在次邊跨的跨中，產(chǎn)生最大的長(zhǎng)期撓度值46.2mm，小于L/600=133mm，滿足規(guī)范受力要求。

4.3 預(yù)拱度的設(shè)置

大跨徑橋梁預(yù)拱度分為施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度。設(shè)置施工預(yù)拱度主要是為消除施工過(guò)程中各種荷載對(duì)線形的影響并預(yù)留成橋預(yù)拱度。成橋預(yù)拱度主要是為了消除后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的收縮徐變、后期預(yù)應(yīng)力的損失、活載變形等而設(shè)置預(yù)拱度。預(yù)拱度理論計(jì)算公式如下：

式中：f1i——由結(jié)構(gòu)自重、收縮、徐變、溫度、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、二期恒載等影響，對(duì)i點(diǎn)產(chǎn)生的撓度計(jì)算值；

f2i——由張拉預(yù)應(yīng)力束對(duì)i點(diǎn)產(chǎn)生的撓度計(jì)算值；

f3i——本施工階段及以后澆筑各段的施工臨時(shí)荷載對(duì)i點(diǎn)產(chǎn)生的撓度計(jì)算值。

本橋采用Midas Civil程序模擬實(shí)際施工步驟到成橋運(yùn)營(yíng)進(jìn)行計(jì)算，式中f1i、f2i、f3i及后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的收縮徐變、后期預(yù)應(yīng)力的損失、活載變形等均可由程序計(jì)算得到。結(jié)合程序，預(yù)拱度最終可按下面公式計(jì)算：

預(yù)拱度=程序最后一個(gè)施工階段累計(jì)結(jié)果（考慮混凝土三年的收縮徐變）+（-1/2可變荷載效應(yīng)）+（-掛籃變形）

4.4 箱梁橫截面靜力分析計(jì)算

箱梁橫截面分析對(duì)象取跨中和墩頂截面。跨中截面取延縱橋向1 m寬，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型為腹板底部支承的框架；墩頂橫梁計(jì)算取端、中橫梁的相應(yīng)受力寬度，支承位置按實(shí)際支座位置。計(jì)算中考慮了箱梁自重、橋面二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、汽車荷載、人群荷載、箱梁橋面板梯度溫度（或箱室內(nèi)外溫差）等荷載。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)東牙溪大橋主橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，橋梁各部分均滿足規(guī)范受力要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。高墩、大跨、橋?qū)捠窃摌虻耐怀鎏攸c(diǎn)，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因連續(xù)剛構(gòu)橋的變形小，結(jié)構(gòu)剛度好，行車平順舒適，伸縮縫少，養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單，抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得連續(xù)剛構(gòu)橋幾乎是大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的優(yōu)勝方案。本文就該橋的設(shè)計(jì)及計(jì)算分析作一些簡(jiǎn)要敘述，希望為今后同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

[1] JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2] JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 雷俊卿.橋梁懸臂設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社,2005.