懸臂下置的懸澆連續箱梁橋設計實踐

郭紅敏，李 雷，梁送春

（悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

懸臂下置的懸澆連續箱梁橋設計實踐

郭紅敏，李 雷，梁送春

（悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

為解決行人與非機動車道縱坡無法滿足設計規范要求的問題，提出了一種將懸臂設置在腹板中下部的懸臂澆筑預應力混凝土連續箱梁結構，該懸臂專門用作行人與非機動車通行。對該結構進行詳細的整體與細部計算分析，結果表明其受力與常規斷面箱梁差別較大。最后對掛籃進行空間受力計算分析。有關成果供設計同行參考。

懸臂下置；懸臂澆筑；箱梁；結構分析；掛籃

1　工程背景

蘇州工業園區蘇虹路東延工程跨越青秋浦，擬新建橋梁一座。青秋浦為五級航道，通航凈寬B=45 m，凈高H=5 m。橋梁中心線與河道中心線斜交111°。

橋位所在區域工廠較多，橋梁建成后重車通行的需求較大，經多方案比選，主引橋橋型均選擇結構剛度好、行車舒適、養護簡單的預應力混凝土連續箱梁橋［1］。全橋跨徑布置為2×30 m+（37 m+68 m+ 42.5 m）+2×30 m，橋梁全長267.5 m。標準斷面寬33.6 m，橫向分兩幅橋，單幅橋寬16.3 m，外側懸臂寬4.5 m，內側懸臂寬2.5 m。斜橋正做，主橋主墩錯墩布置，主橋邊墩、引橋橋墩、橋臺均對齊布置。主橋采用掛藍懸臂澆筑，引橋采用滿堂支架現澆，見圖1。

圖1　橋梁剖斷面效果圖

縱斷面拉坡結果顯示，在滿足青秋浦通航要求及河道兩岸交叉口順利接坡的前提下，橋面設計縱坡達4.5%。根據《城市道路工程設計規范》，非機動車道縱坡不宜大于3.5%，為解決該問題，箱梁外側懸臂向下放，非機動車道與機動車道設計為不同的縱斷面。

2　懸臂方案比選

為滿足行人與非機動車通行的需求，人非懸臂寬度設計為4.5 m。設計考慮了兩個懸臂方案：混凝土懸臂、鋼結構懸臂。經多方面比選，最終確定采用混凝土懸臂方案，見表1。

表1　懸臂方案比選表

3　截面受力特性分析

3.1定性分析

對截面特性進行正確、深入的分析是合理、安全設計的必要前提條件。與常規斷面的懸澆預應力混凝土箱梁橋相比，本橋最大的特點是外側懸臂下置且內外懸臂大小、腹板厚度均不相同。

箱梁縱向受力主要有以下特點：由于外側懸臂位于腹板中下部，箱梁截面的中性軸、慣性矩、剛度等沿縱向分布與常規斷面均不相同，從而使得全橋縱向彎矩分布、截面上下緣應力與常規斷面箱梁也不相同。

截面橫向受力特點：外側懸臂設置在邊腹板中下部，使得邊腹板承受較大的橫橋向彎矩；兩側懸臂大小及腹板厚度不同，截面在恒活載作用下承受較大的扭矩；常規斷面在計算有效寬度時需計入部分或全部懸臂寬度，懸臂下置的斷面則完全不能考慮［2］，兩者的有效寬度差別較大。

根據以上分析，懸臂下置的斷面的邊腹板為抵抗橫向彎矩及滿足布置縱向預應力鋼束的需要，其厚度沿縱向全長均為1 m，其余腹板厚按常規斷面擬定。邊腹板與頂底板之間的倒角均加大，其中腹板與底板倒角的水平長度為1 m。

3.2定量分析

以跨中2 m梁高的斷面（見圖2）為例，對懸臂下置的斷面與常規斷面（懸臂不下置，其余均同圖2）的特點進行定量分析比較。

圖2　箱梁跨中斷面（單位：cm）

表2　懸臂下置的箱梁斷面與常規斷面比較

4　結構計算分析

4.1橫向框架分析

斷面橫向計算滿足規范要求后方可進行縱向建模計算。取縱向1 m長的橫向框架進行計算，自重作用下其彎矩見圖3。

圖3　斷面彎矩圖（單位：kN·m）

由圖3可以看出，邊腹板的橫向彎矩較大，該腹板的豎向箍筋同時也承受較大的橫向彎矩，因此應適當加強。

4.2懸臂有限元分析

為確保4.5 m寬的大懸臂結構安全，設計中采取以下構造措施：（1）大懸臂局部進行加厚，根部厚度加厚至0.8 m，計算時不考慮加厚部分；（2）外側邊腹板與頂板的倒角尺寸為100 cm×35 cm，與底板的倒角尺寸為100 cm×20 cm；（3）頂板厚度最小為25 cm，底板厚度最小為28cm；（4）懸臂內橫橋向設置直徑為32 m m的預應力精軋螺紋鋼筋，沿橋梁縱向間距50 cm；（5）橫梁與橫隔板范圍內的懸臂內采用預應力鋼絞線；（6）精軋螺紋鋼筋施工時張拉控制應力為0.9 fpk，計算時按0.45 fpk取值；（7）懸臂上緣橫向普通鋼筋直徑為25 m m，縱向間距為10 cm。

由于外側懸臂長度為4.5 m，懸臂根部受力較大，邊腹板在該懸臂上的荷載作用下受力較復雜。采用M IDAS FEA建立實體單元模型對懸臂和邊腹板進行應力分析，計算結果見圖4。結果表明，最不利荷載組合作用下，懸臂根部最大拉應力為1.21 M Pa，滿足A類構件要求。

圖4　下置懸臂及邊腹板應力云圖（單位：MPa）

4.3縱向計算分析

4.3.1腹板鋼束的橫斷面布置

對于箱形截面，腹板主要承受剪力，頂底板主要承受彎矩。由于本工程箱梁截面特殊，每塊腹板承受的荷載有一定區別，每塊腹板內的鋼束布置也應有所區別。取L/4處斷面，參照梁格法理論［4］將該斷面以三個腹板為中心劃分為三個梁格，按梁格截面面積配置預應力鋼束，外側邊腹板內的縱向鋼束面積約為其余腹板的1.4倍，見圖5。

圖5　L/4斷面縱向鋼束布置

4.3.2縱向計算結果

縱向計算建模時有兩個思路，一是考慮下置懸臂，按真實斷面建模，二是不考慮下置懸臂，僅將懸臂作為恒載考慮（見圖6）。由于下置懸臂對箱梁斷面的特性有較大影響，不考慮對全橋的內力分布以及截面應力等均有較大影響，因此采用第一種思路建模。

圖6　縱向計算模型

由圖7可知，截面最大正應力14.9 M Pa，中支點最小正應力0.5 M Pa，滿足規范要求。

圖7　短期組合正應力圖（單位：MPa）

由圖8可知，截面最大主拉應力為0.8 M Pa，滿足規范要求。

圖8　主拉應力圖（單位：MPa）

4.4施工階段最大懸臂狀態抗扭驗算

箱梁截面各個腹板厚度以及兩側懸臂大小均不相同，恒載作用下截面也存在較大的扭矩，因此對懸澆過程中最大懸臂狀態進行抗扭驗算是非常有必要的。采用M i das Ci vi l建立空間梁單元模型進行驗算，結構模型見圖9。驗算結果表明，截面最大扭矩為13 500 kN·m，抗力為57 600 kN·m，結構抗扭有較大安全儲備，見圖10。

圖9　Midas空間梁單元計算模型

圖10　最大懸臂狀態扭矩圖（單位：KN·m）

5　掛籃結構計算分析

由于本橋斷面橫向不對稱，且外側懸臂位置沿高度變化，因此掛籃需進行特殊設計與詳細計算分析。掛籃主要受力結構采用三角桁架。采用M i das Ci vi l建立掛籃整體空間模型，見圖11。

圖11　三角桁架應力圖（單位：MPa）

計算結果表明，為保證各桁架應力和變形基本相同，三片桁架結構尺寸應有所不同。

6　結語

（1）懸臂下置的箱梁結構能較好的解決人非與機動車道設計縱斷面不同的問題。

（2）懸臂下置，截面特性與有效寬度變化較大，設計應按實際斷面形式建模計算。

（3）橋梁縱橫向受力較為復雜，截面尺寸擬定、鋼束布置、截面配筋、掛籃設計計算等均應充分考慮。

［1］張繼堯.懸臂澆筑預應力混凝土連續梁橋［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［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］郭金瓊.箱形梁設計理論［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［4］E·C漢勃利.橋梁上部構造性能［M］，北京:人民交通出版社，1982.

U448.21+5

B

1009-7716（2016）09-0135-03

2016-06-01

郭紅敏（1970-），男，江蘇蘇州人，高級工程師，副總裁兼副總工，從事橋梁與隧道工程設計、研究、技術管理工作。