紅海大橋主橋設計

廖智明

（泛華建設集團有限公司深圳設計分公司，廣東深圳 518000）

1 工程概況

作為東莞市統籌水鄉地區發展先期項目，同時亦是石龍鎮2012年二十項重點工程之一，建成后將成為石龍老城區連接紅海物流園區的重要通道，也是東莞連接廣州、惠州的北大門，它的建設將為東莞、惠州兩地的經濟和社會發展起到重要作用。

紅海大橋設計采用一級公路標準，設計車速60 km/h。主橋整幅設置，總寬度為22.0 m，雙向四車道，兩側設2.5 m寬人行道，該橋跨越處東江北支流為Ⅲ級航道，橋梁軸線方向與河道夾角81°，起點與石龍鎮規劃中的沿江路平交，終點接紅海區規劃路，由于兩端高程限定了縱坡的起坡位置，且根據廣東省航道局文件，紅海大橋通航孔凈高Hm不小于8 m，通航孔凈寬Bm不小于117.4 m，上底寬b不小于98 m，側高h不小于6 m，鑒于以上條件的限制，經過詳細的方案比選后，主橋采用了變截面預應力混凝土連續剛構箱梁結構。

2 總體布置設計

紅海大橋中心樁號K0+359.258，橋跨組合為(9 m+3×13 m+11 m)+5×25 m+(76 m+128 m+76 m)+20 m+8×25 m，橋梁長687 m。上部結構主橋(76 m+128 m+76 m)采用變截面預應力混凝土連續剛構箱梁；主橋橋型布置見圖1。

3 基本尺寸擬定

3.1 主梁斷面的選擇

橋面全寬22 m，對于這種情況，主梁可采用單箱單室，也可采用單箱雙室結構，見圖2。但由于單室箱梁需采用大噸位縱向預應力束，應力集中現象更為顯著，且單室箱梁的剪力滯效應也較為明顯，箱梁的有效寬度存在一定程度的折減。另外，近幾年來，大跨徑單室箱梁橋頂板、腹板開裂現象較為普遍，而且單室較雙室箱梁施工難度大、風險高，因此推薦采用單箱雙室斷面。

3.2 主梁結構尺寸

主橋76 m+128 m+76 m為預應力混凝土連續剛構箱梁，采用懸澆施工，按全預應力結構設計。箱梁梁高和底板厚度均按2次拋物線設計，采用單箱雙室預應力混凝土結構。梁高從跨中（邊跨端部）3.2 m變化到主墩根部7.5 m。兩側懸臂部分均為3.75 m，懸臂根部厚度為90 cm；底板寬14.5 m，頂板寬22.0 m，厚度30 cm；腹板厚度采用45 cm、60 cm、75 cm三種厚度，10＃塊腹板厚度從75c m變化到60 cm，14＃塊腹板厚度從60 cm變化到45 cm，邊跨現澆段從18＃截面45cm腹板變化到19＃截面腹板厚度60 cm；箱梁底板厚度從30 cm變化到根部100 cm。箱梁橫坡由腹板高度調整，底板保持水平，頂板橫向從設計線往外側設置2%的橫坡，設計線1 m范圍內橫坡為0%。

3.3 預應力鋼束設置

主橋設置縱向、橫向和豎向的三向預應力。預應力鋼絞線采用公稱直徑φs15.2 mm低松弛鋼絞線，其抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。

縱向預應力設置了頂板束、底板束和腹板束。除邊跨T17～T18頂板束采用單端張拉外，其余鋼束均采用兩端張拉，鋼束張拉控制應力為σcon=0.75 fpk=1 395 MPa(部分鋼束張拉控制應力為1 300 MPa)，鋼束伸長量均已扣除10%的初張拉，管道采用塑料波紋管成孔，采用真空灌漿技術。

圖1 主橋橋型布置圖（單位：cm）

圖2 主梁斷面對比（單位：cm）

圖3 主梁橫斷面構造圖（單位：cm）

橫向預應力：橫向預應力鋼束采用φs15.2-3鋼絞線，相鄰兩根鋼束采用交錯張拉錨固，鋼束張拉控制應力為σcon=0.75 fpk=1 395 MPa，鋼束伸長量均已扣除10%的初張拉，預應力管道采用配套塑料扁形波紋管，采用真空壓漿工藝灌漿。

豎向預應力：豎向預應力束采用φs15.2-3鋼絞線，鋼束張拉控制應力為σcon=0.65fpk=1 209 MPa，管道采用塑料波紋管成孔，采用真空灌漿技術。豎向預應力須采用二次張拉工藝。

3.4 下部結構設計

為了加強后期抗船舶撞擊的能力，主墩墩身采用空心墩，船舶可能撞擊的墩身范圍采用實心截面。主墩墩身厚度為280 cm，墩寬1 630 cm，為減少水流阻力，墩身兩端采用三角截面，主墩基礎采用8根Φ250 cm鉆孔灌注樁，采用嵌巖樁設計。為增加有效通航凈寬，確保船舶航行安全，并且由于地形限制，連續剛構橋墩很矮，對受力很不利，按一般經驗，連續剛構橋墩墩高需大于1/10主橋跨徑。因此按航道部門要求，將通航孔橋墩承臺埋至河床底面以下，主墩河床下挖深度約4 m。

過渡墩采用薄壁實心墩，墩身厚度為180 cm，墩寬1 550 cm，為減少水流阻力，墩身兩端采用三角截面，承臺下設置6根Φ180 cm鉆孔灌注樁，采用嵌巖樁設計。

4 結構受力分析[1-5]

4.1 縱向計算

在設計時上部結構靜力分析采用MIDAS2010與QJX4.0兩套程序進行結構分析和相互校核，兩個程序計算結果非常接近。主橋為主跨128 m的連續剛構橋，墩高15 m，墩高為單跨跨徑的1/8.5，墩身剛度相對較大，因此在計算時必須考慮樁基的柔度。本計算根據實際地質資料采用樁基土彈簧模擬實際樁基受力情況。全橋共劃分為597個節點和578個單元。結構離散圖見圖4。

圖4 主橋計算機構離散圖（MIDAS）

根據施工總體安排，共劃分為21個施工階段，對預應力混凝土連續剛構橋各階段的受力情況進行了全面計算分析，計算荷載包括恒載、活載、支座不均勻沉降、溫度變化、預應力及混凝土收縮、徐變等，根據本橋所處的具體地理、氣候條件，基礎不均勻沉降主墩按20 mm考慮，邊墩按5 mm考慮，并人工進行最不利組合計算，結構整體升溫按20℃計，整體降溫按-20℃。梯度溫度按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)規定的混凝土箱梁設計溫度梯度計算：正溫差T1=14℃，T2=5.5℃；負溫差T1=-7℃，T2=-2.75℃，由于主橋下為東江北支流Ⅲ級航道，經過對船撞力的分析，采用修正后的沃辛公式計算的船撞力考慮，橫橋向F＝7 000 kN；縱橋向3 500 kN。本橋按10 a來考慮混凝土收縮徐變影響。

4.1.1 持久狀況承載能力極限狀態計算

主橋按公路橋規JTG D60-2004第4.1.6條承載能力極限狀態效應組合進行承載力驗算，主梁的承載力和內力包絡見圖5、圖6。

圖5 主梁正截面抗彎承載能力包絡圖(單位：k N·m)

圖6 主梁斜截面抗剪承載能力包絡圖(單位：kN)

由圖5、圖6可知：抗彎強度包絡線和抗剪強度包絡線完全包住承載能力極限狀態最不利荷載組合的最大正負彎矩設計值和最大正負剪力設計值。并且根據規范要求對

4.1.2 持久狀況正常使用極限狀態計算

（1）正截面抗裂

根據計算，主梁最小壓應力為0.346 MPa，出現在中支點處，中跨跨中壓應力為0.667 MPa，主梁上、下緣除邊支點附近外均未出現拉應力，故正常使用階段正截面抗裂滿足規范要求。

（2）斜截面抗裂（計入豎向預應力作用）

主梁在短期組合作用下，考慮豎向預應力的作用，斜截面抗裂均能滿足規范要求，即σtp≤0.4 ftk=1.096 MPa。

4.1.3 持久狀況和短暫狀況構件的應力計算

（1）正截面混凝土的法向壓應力

本橋使用階段構件正截面最大壓應力為16.24 MPa，小于規范限值17.75 MPa，使用階段主梁正截面混凝土的壓應力滿足要求。

（2）受拉區預應力鋼筋的最大拉應力

由計算可知，使用階段預應力鋼筋拉應力最大為1 198.4 MPa。受拉區預應力鋼筋的最大拉應力能夠滿足規范要求，即 σpe+σp≤0.65 fpk=0.65×1 860 MPa=1 209 MPa。

（3）斜截面混凝土的主壓應力（已計入豎向預應力作用）

標準組合作用下，構件截面最大主壓應力為16.24 MPa，滿足規范限值 σcp≤0.6 fpk=0.6×35.5=21.3 MPa，使用階段主梁截面混凝土主壓應力能夠滿足要求。

根據計算可知，滿足相關施工階段預壓區混凝土最大壓應力要求、施工階段預拉區混凝土拉應力要求及撓度要求。

4.2 橫向計算

由于箱梁的橫斷面可看成一個框架結構，其受力狀況較為復雜，為了查明在橋面板受力是否滿足要求，以及底板預應力鋼束徑向力作用下，箱梁在各梁段底板上下緣橫向鋼筋設計是否滿足要求，需對箱梁主要控制梁段進行橫向分析。

橫向預應力可加強橋梁的橫向聯系,增加懸臂板的抗彎能力。箱梁的橫向作為被支承在主梁腹板中心線下緣的箱形框架進行設計,計算時沿順橋向取單位長度為1 m,考慮各種不同的布載情況。主橋取支點截面、跨中截面、1/4跨等具有代表性的截面進行計算,橫梁重力按實際施加，同時支點截面將縱向計算時永久作用和除汽車、人群以外的可變作用引起的支反力標準值作為永久荷載平均施加在橫梁的各腹板位置，汽車、人群荷載在其實際作用范圍按最不利加載。

由于此結構為外部靜定結構，均勻溫度變化不會產生內力，溫度應力沿單元截面呈直線變化，按升、降溫分別考慮。

4.3 橋墩計算

紅海大橋的主墩采用空心薄壁墩，考慮到船舶撞擊的影響，在船舶可撞擊范圍內采用實心結構，針對主墩結構主要進行施工階段驗算及使用階段驗算，施工階段驗算采用最不利工況，即最高墩的最大雙懸臂狀態，不對稱荷載考慮了以下幾個方面：（1）主梁懸臂施工過程中一端掛籃脫落；（2）考慮模板變形（漲箱）等因素，節段施工超前的懸臂混凝土自重增加4%；（3）參照《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01－2004）4.5.1條，風荷載加載時，考慮了不對稱加載工況。節段施工超前的懸臂橫向風荷載按規范公式計算；而滯后的懸臂僅取計算結果的一半。使用階段驗算主要考慮汽車荷載、溫度荷載、基礎沉降、汽車制動力、風載及船舶撞擊力等的影響，采用有限元分析方法，建立最大雙懸臂階段和運營階段的模型，最后通過計算確定紅海大橋下部結構的截面及配筋。

5 主橋設計措施

5.1 橋面鋪裝問題

紅海大橋位處石龍老城區與紅海物流園區間的一個重要通道，原要求采用水泥混泥土路面結構，由于采用水泥混凝土鋪裝將使主橋結構壓應力偏大，需采用高標號混凝土，因此設計時提出采用瀝青混凝土鋪裝減小主梁混凝土標號，保證施工質量。

5.2 船撞力問題

鑒于影響船舶撞擊力大小的因素較多，涉及船型、船舶排水量、行駛速度、橋墩尺寸強度及彈性性能等諸多因素，目前我國現行《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）所規定的內河船舶撞擊力偏小，不宜作為船舶撞擊力設計值控制設計，紅海大橋根據幾種國內外常用經驗公式計算后采用修正的沃辛公式計算結果作為船舶撞擊力的取值，能滿足橋梁結構安全性及橋梁方案的經濟性。考慮到船撞撞擊的要求，在滿足橋墩柔度及滿足施工中可能出現的不平衡重量的要求，紅海大橋選用單薄壁墩形式，因為單薄壁墩的防撞性能遠優于雙薄壁墩。同時雙薄壁墩將增加橋梁主跨跨徑，且會引起水流紊流，不利通航及泄洪。

5.3 主梁頂推力的選用

由于本橋是剛構體系，合龍后由于框架效應預應力次效應剪力、收縮徐變次效應剪力均是向內的，因此有必要在合攏前設置反向的頂推力，其目標值是使墩身達到受力最優化，為了避免出現頂推力不足或過大的局面，現有工程經驗介紹一般建議頂推力取值按照全部預應力次剪力加上收縮徐變次剪力，通過對合攏頂推力的優化計算，得出理論最優頂推力應取為1 000 kN。

6 結語

預應力混凝土連續剛構橋，是大跨徑橋梁的主要橋型之一，外觀簡單大方，力學模型明晰，具有可靠的強度、剛度及抗裂性能，同時有著變形小、結構剛度好、行車平順舒適、養護簡易及抗震能力強等優點，本次設計對大橋上、下部得構造尺寸進行了嚴謹的設計，并通過對橋梁進行結構計算分析，對橋梁上下部等各項指標都進行可比較嚴格的控制，力爭避免出現同類型橋梁的弊病，保證大橋在設計基準期內能安全、高效的運營。紅海大橋已于2012年12月28日正式開工，預計2015年6月建成通車。

[1]JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規范[S].

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

[3]雷俊卿.橋梁懸臂施工與設計[M].北京:人民交通出版社,2000.

[4]馬保林.高墩大跨連續鋼構橋[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5]徐君蘭,顧安邦.連續剛構橋主墩剛度合理性的探討[J].公路交通科技,2005(2):59-62.