預應力混凝土單跨門式剛架橋設計研究

歐陽平，林　云，張曉宇

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530029)

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預應力混凝土單跨門式剛架橋設計研究

歐陽平，林云，張曉宇

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧530029)

預應力混凝土單跨門式剛架橋造型美觀，是中、小跨徑現澆混凝土橋梁的一種常用橋型。文章以某園區一景觀橋梁為例，對預應力混凝土單跨門式剛架橋的設計進行了研究。

剛架橋；預應力混凝土；樁基礎；設計

0　引言

隨著我國交通事業的快速發展，大規模的橋梁建設對標準化施工要求越來越高，中、小跨徑預制安裝梁式橋得到空前的廣泛應用。同時，隨著城市建設的發展，人們對城市景觀越來越重視，城市橋梁建設在要求標準化之外，也提出了更多的美觀需求，因此對于城市景觀橋梁尤其是處在公園、風景區等對景觀要求較高的橋梁，越來越多采用結構造型豐富的現澆混凝土橋梁，如拱橋、剛架橋等。門式剛架橋是中、小跨徑橋梁的一種常用橋型，該橋型立面根據需要可設計為圓弧形、橢圓形等優美的曲線，從而獲得較好的景觀效果。與拱橋相比，門式剛架橋基礎不存在水平推力，對地基的要求相對較低，在地基軟弱地區具有更強的競爭力。本文以某園區內一景觀橋為例，對預應力混凝土單跨門式剛架橋設計進行研究。

1　工程概況

某新建校園，依山傍水，風景宜人。校園內有一山谷溪流匯入山腳下湖內，溪

流及湖水是該園區重點打造的水系景觀。園區道路跨越該溪流設置一景觀橋梁(見圖1)，該處水面寬度約10 m，橋面高程119 m，水面高程115 m，橋下要求通行小船，凈空高度3 m。園區道路寬6 m，以通行小車和人行為主。

圖1　工程平面布置圖

工程地質覆蓋層為人工填土和粉質黏土，厚度為6～12 m，基巖為中風化泥巖和中風化泥質粉砂巖。

由于水面為人工開挖河床，水面寬只有19 m，因此該橋采用單跨結構形式。方案設計階段選擇預制安裝簡支梁橋、現澆混凝土拱橋、現澆混凝土門式剛架橋三種方案進行比較，其中簡支梁橋工程造價最低，但橋梁造型簡單，不符合園區景觀要求。拱橋和剛架橋造型美觀，都符合園區景觀要求，兩者相比由于拱橋基礎工程龐大，工程造價較高，因此最終選擇單跨門式剛架橋方案。

單跨門式剛架橋凈跨徑16 m，橋梁全長26 m，橋面總寬6.7 m，橋面凈寬6 m，不設專用人行道。梁底面設計為R=3 600 m圓曲線，梁高0.7～1.6 m。基礎采用單排樁基礎，樁基直徑1.2 m，承臺厚1.5 m。橋面設雙向1.5%橫坡，梁頂鋪4～8.5 cm厚混凝土鋪裝和28 cm厚木制橋面板(見圖2)。

該橋施工先立模澆筑臺柱混凝土，然后在原狀地面上填筑土胎，充分壓實后在土胎上澆筑硬化層，再在硬化層上鋪設模板澆筑主梁混凝土，待橋梁施工完畢后再開挖橋下土胎及人工河道。該施工法相對搭設支架施工法更為簡便和經濟。

以下以該單跨門式剛架橋為例(下文簡稱“本橋”)，分別對預應力結構與混凝土結構選擇、結構設計、預應力設計、基礎邊界條件對結構受力的影響等幾個方面進行研究。

圖2　門式剛架景觀橋橋型總體布置圖(單位：cm)

2　預應力結構與混凝土結構選擇

過去中、小跨徑門式剛架橋一般按鋼筋混凝土結構進行設計，主要原因是以前預應力技術尚未普遍應用，需要找專門的施工隊伍進行預應力張拉施工。而預應力技術發展至今已成為一種非常普遍的常規技術，不存在任何施工難度，因此本橋考慮采用預應力混凝土結構進行設計，并與鋼筋混凝土結構進行了對比分析。

工程經濟性比較：其中預應力混凝土結構按部分預應力A類構件設計，鋼筋混凝土構件裂縫寬度按0.2 mm控制。工程經濟性比較結果如表1所示。

表1　預應力混凝土結構與鋼筋混凝土結構經濟性比較表

注：各方案工程數量相同或接近的構件材料用量及工程費用未計入表中進行比較(如橋面鋪裝、護欄等)。

由表1比較結果可知采用預應力混凝土結構比鋼筋混凝土結構普通鋼筋用量節省8.2 t，而預應力鋼筋只增加1.759 t，折算工程造價節省約2.8萬元。因此對于小跨度現澆混凝土門式剛架橋，采用預應力混凝土結構具有更好的經濟性。

結構耐久性比較：預應力混凝土結構A類構件設計不允許出現裂縫，能有效保護鋼筋免遭有害物質侵蝕。而鋼筋混凝土結構是按裂縫寬度控制進行設計的，使用過程中不可避免會存在裂縫，因此鋼筋容易受到外界有害物質的侵蝕。因此預應力混凝土結構具有更好的結構耐久性。

綜合上述，本橋采用預應力混凝土結構進行設計。

3　結構設計

3.1結構立面設計

單跨門式剛架橋立面設計主要是確定梁底曲線，該曲線決定了主梁的梁高變化，同時也影響外觀視覺效果。總的來說采用較大的矢跨比曲線效果越顯著，橋梁外觀更接近拱橋，視覺效果更佳。不同矢跨比梁底曲線圖如圖3所示。但另一方面矢跨比越大主梁材料用量也越大，工程造價越高。通過比較分析，選用矢跨比1/20～1/15梁底曲線有較顯著的視覺效果，同時結構受力較為合理，工程經濟性較好。本橋梁底曲線取矢跨比1/17.8，圓弧半徑R=3 600 m。

(a)矢跨比1/25

(b)矢跨比1/15

(c)矢跨比1/10

圖3不同矢跨比梁底曲線圖

3.2主梁設計

由于門式剛架橋跨中彎矩相對簡支梁小，因門式剛架橋的跨中梁高可取較小值，可按1/20～1/25L進行設計，L為剛架橋的跨度。跨中梁高確定后根據立面設計確定的梁底曲線即可確定根部梁高和任意截面梁高。本文所述門式剛架橋跨中梁高取1/22.9L=0.7 m，根部梁高為1.6 m。

主梁截面常用的有實心截面、空心截面和箱形截面。實心截面方便施工但增加了結構自重荷載；箱形截面挖空率較大能最大限度減輕結構自重荷載，但增加了施工的難度；空心截面相對于實心截面能顯著減輕結構自重荷載，雖然挖孔率相對較小，但由于挖孔可采用PVC管等不用拆卸的預埋管作為模版，因此施工相對簡便。本文所述門式剛架橋設計采用空心截面，截面頂寬6.7 m，底寬4.0 m，兩側懸挑翼板各長1.35 m(見圖4)。

圖4　主梁跨中截面圖(單位：cm)

3.3臺柱設計

臺柱的剛度與主梁的剛度比對剛架結構的受力有較大的影響，因此單跨門式剛架橋的設計應合理選擇臺柱截面高度，優化結構受力。本橋臺柱設計通過對不同截面高度的對比分析，從而優化結構設計，分析結果見下頁表2。從分析結果可知，隨著臺柱截面高度H增大，主梁跨中彎矩逐漸減小，主梁根部及臺柱頂部彎矩逐漸增大。由于臺柱為偏壓構件，因此同等截面高度情況下其抗彎承載力要比主梁跨中截面高。根據各控制截面的承載力情況，當臺柱截面高度H=0.7 m時結構內力分布最為合理，故本橋臺柱截面高度取為0.7 m。

表2　不同臺柱截面高度內力表

4　預應力設計

本橋按部分預應力混凝土A類構件設計，即在荷載短期效應組合最不利工況下混凝土拉應力≤0.7 ftk，在長期效應最不利組合工況下不出現拉應力，其中ftk為混凝土抗拉強度標準值。根據上述要求本橋主梁縱向預應力鋼束需配置6束8φs15.2鋼絞線鋼束，單排布置，鋼絞線標準強度fpk=1 860 MPa，彈性模量Es=1.95×105MPa，張拉控制應力σcon=0.72 fpk=1 339 MPa。臺柱豎向預應力需配置22根JL32精軋螺紋鋼筋，分兩排布置，外側一排12根，內側一排10根，精軋螺紋鋼筋標準強度fpk=785 MPa，彈性模量Es=2.0×105MPa，張拉控制應力σcon=0.8 fpk=628 MPa。縱向、豎向預應力鋼束均為直線布置，如圖5所示，這樣布置不僅減少了鋼束預應力的磨阻損失，同時也使結構的應力分布更為合理。

圖5　預應力布置圖(單位：cm)

5　基礎邊界條件對結構受力的影響研究

5.1基礎邊界條件模擬

本橋橋臺采用樁基礎，樁土作用參考類似工程設計經驗，將樁基與土體連接邊界條件用等效土彈簧進行模擬，并采用有限元軟件進行結構計算(見圖6)。土彈簧的剛度根據土層特性按“m”法進行計算確定，具體如下：

彈簧剛度：Ki=mizihib0

(1)

式中：mi——土彈簧處土層m值；

zi——土彈簧處離地面高度；

hi——土彈簧代表土層厚度；

b0——樁基計算寬度，b0=0.9(d+1)，d為樁基直徑。

圖6　樁基礎土彈簧邊界計算模型圖

5.2基礎邊界條件對結構受力的影響

為考察基礎邊界條件對結構受力的影響，分別取樁長10 m和50 m兩種情況計算不同m取值的控制截面恒載彎矩，計算結果見表3。

表3　不同基礎邊界條件控制截面彎矩計算結果表

根據計算結果可知，隨著m值增大，主梁跨中彎矩逐漸減小，主梁根部及臺柱頂部彎矩逐漸增大，但無論是樁長10 m還是50 m的情況，彎矩變化均不明顯，也就是說樁基土層m值在規范取值范圍內的變化對單跨門式剛架橋內力結果影響不大，采用“m”計算樁土作用等效土彈簧的剛度是可行的。

6　結語

單跨預應力混凝土門式剛架橋造型美觀，是中小跨徑現澆混凝土橋梁常用的橋型，本文以某園區一景觀橋為例對單跨預應力混凝土門式剛架橋設計進行了研究，主要結論如下：

(1)單跨門式剛架橋采用預應力混凝土結構具有更好的經濟性和耐久性；

(2)單跨門式剛架橋梁底曲線矢跨比取1/20～1/15具有較好的視覺效果和經濟性，同時結構受力較為合理；

(3)臺柱截面高度對結構內力影響較大，應進行優化設計；

(4)樁基與土的邊界條件模擬對結構計算結果有一定影響，有限元計算分析采用“m”計算樁土作用等效土彈簧的剛度是可行的。

[1]周亮亮.某門式剛架橋設計[J].工程與建設，2015(2)：197-198.

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Study on Prestressed Concrete Single-span Gantry Rigid Bridge Design

OU Yang-Ping，LIN Yun，ZHANG Xiao-yu

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Single-span prestressed concrete gantry rigid bridge has the beautiful appearance，which is a common bridge type in small and medium span cast-in-situ concrete bridges.Taking a sightseeing bridge in a park as the example，this article studied the design of single-span prestressed concrete gantry rigid bridge.

Rigid bridge；Prestressed concrete；Pile foundation；Design

U448.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.019

1673-4874(2016)05-0071-04

2016-04-20

歐陽平(1973—)，高級工程師，研究方向：橋梁與隧道工程；

林云(1985—)，工程師，碩士研究生，主要從事橋梁工程設計和研究工作；

張曉宇(1989—)，助理工程師，工程碩士，研究方向：橋梁工程。