大跨預應力混凝土連續梁橋設計研究

劉文明，謝春玲

（湖南中大設計院有限公司，湖南長沙410075）

大跨預應力混凝土連續梁橋設計研究

劉文明，謝春玲

（湖南中大設計院有限公司，湖南長沙410075）

結合某（60+105+60）m預應力混凝土變截面連續箱梁橋設計，對大跨徑預應力混凝土變高度連續箱梁橋截面形式的選取、結構尺寸的擬定、預應力鋼束布置方式等設計要點進行了研究分析，可供同類橋梁結構設計進行參考。

預應力混凝土；箱梁；橋梁設計；截面尺寸；裂縫；下撓

1 工程概況

某橋梁工程位于湖南省某地級市，為某城市主干道上跨河流而設。其主橋孔跨布置為（60+105+60）m，中跨105 m跨越河溝及一側人工岸堤，主橋全長225 m。橋梁上部結構采用預應力混凝土變高度連續箱梁，下部結構主橋墩采用矩形實心墩，沖孔灌注群樁基礎。主橋箱梁與橋墩間通過設置盆式橡膠支座進行連接，主橋孔跨布置見圖1所示。

圖1 主橋立面圖（單位：m）

2 結構設計

2.1 箱梁截面形式的選取

箱梁截面形式主要取決于橋面寬度；也與施工方法、上下部結構連接方式等因素相關[1]。從該橋型已建橋梁情況來看，在早期橋梁設計中，橋面寬度不大于12m時，常采用單箱單室截面。近些年來，該截面形式所適用的橋面寬度范圍已擴大至16 m。

該橋單幅橋寬15 m，寬度相對適中，箱梁選擇使用單箱單室截面。該截面形式箱梁全截面受力相對合理；梁體材料用量較經濟；利于懸臂掛籃澆筑施工；橫向設置的兩個支座均位于箱梁腹板下方，傳力路徑明確，設計合理。

2.2 箱梁梁高的確定

對于變高度連續箱梁，跨中截面梁高與主跨徑的比值一般取1/30～1/50，支點截面梁高與主跨徑的比值一般取1/16～1/20。考慮已建成的大跨徑箱梁橋常出現的跨中梁體下撓、開裂等病害情況，該橋梁設計截面梁高與主跨徑間的比值取偏大值，即適當增加梁高，通過增大截面抗彎剛度來減小梁體的后期下撓，抑制梁體裂縫的開展。

該橋跨中梁高取3 m（與主跨徑比值為1/35），支點梁高取6 m（與主跨徑比值為1/17.5），梁底按二次拋物線變化。

2.3 箱梁截面尺寸的確定

直接決定結構的抗彎、抗剪承載能力及剛度的主要因素為箱梁的截面尺寸。箱梁壁厚尺寸設置偏小，會削弱結構的抗裂和抗剪能力，使混凝土箱梁更容易產生裂縫；同時也減小了結構剛度，導致長期變形的加劇。開裂與變形通常是伴隨出現，相互促進惡化。混凝土開裂和變形之間的關系可通過圖2來表示[2]。

圖2 混凝土開裂與變形關系圖

從設計角度來講，首先應確保結構具有足夠的正截面強度及斜截面強度；其次考慮適當增加腹板厚度，其對梁體撓度影響并不大，卻可以較好地改善箱梁的抗裂及抗剪能力。

綜上分析，并結合主橋箱梁結構預應力鋼束布置情況，其斷面尺寸確定如下：

箱梁懸臂板長3.75 m。箱梁頂板厚0.3 m；跨中底板厚0.32 m，中支點附近底板厚0.9 m，底板厚度從跨中至中支點方向按二次拋物線漸變；跨中腹板厚0.5m，中支點附近腹板厚0.9m，腹板厚度從跨中至支點方向通過直線段兩次過渡，即0.5m～0.7 m～0.9 m。

詳細尺寸如圖3所示。

圖3 箱梁橫斷面圖（單位：m）

2.4 預應力束布置

結合箱梁結構的受力特點，箱梁的縱向預應力應優先布置在腹板內，以及布置在靠近腹板的頂底板內。同時設置腹板下彎束，以有效抵抗主拉應力及斜裂縫出現，而且能減小縱向預應力作用的盲區。

該橋箱梁預應力布置體系分縱向、橫向及豎向分別進行設計。

縱向預應力束分為懸臂束和合龍束。懸臂束包括頂板束、腹板下彎束。合龍束包括邊、中跨頂板束、腹板上彎束、底板束。其中懸臂束中的頂板束采用19-φs15.2鋼絞線，腹板下彎束采用17-φs15.2鋼絞線，兩端下彎至腹板中部進行錨固；邊跨合龍束中的腹板束采用15-φs15.2鋼絞線，一端上彎至腹板中部進行錨固，一端上彎至腹板頂部進行錨固，底板束采用15-φs15.2鋼絞線，頂板束采用19-φs15.2鋼絞線；中跨合龍束中的腹板束采用17-φs15.2鋼絞線，兩端上彎至腹板頂部進行錨固，底板束采用17-φs15.2鋼絞線，頂板束采用19-φs15.2鋼絞線。縱向鋼束均采用群錨體系，其立面布置如圖4所示。

圖4 鋼束布置示意圖

頂板橫向預應力鋼束平行于箱梁頂面設置，采用3-φs15.2鋼絞線，單端交錯進行張拉，采用扁錨體系。

豎向預應力束布置在箱梁腹板內。在早期橋梁設計中，常采用精軋螺紋鋼作為腹板豎向預應力鋼筋，較普遍地存在施工精度較難控制，預應力容易失效等問題。因此，該橋豎向預應力束選用3-φs15.2鋼絞線，同時采用新型的二次張拉低回縮鋼絞線豎向預應力短索錨固體系[3]，以提高豎向預應力的有效性。

3 結構分析

該橋采用有限元分析軟件M ID AS/C I V I L 2015建立平面桿系模型對上部主梁結構進行縱向靜力計算。主梁采用梁單元模擬。根據支座布置約束對應方向位移。全橋共85個節點，76個單元。主要施工步驟：掛籃懸臂施工→邊跨合龍→附屬設施施工→10年收縮及徐變。縱向計算模型如圖5所示。

圖5 縱向計算模型

3.1 作用及設計參數

作用的計算按設計規范[4][5]規定執行。

永久作用。主梁自重（一期恒載）；人行道板及欄桿、橋面現澆層及瀝青鋪裝層、過橋管線（二期恒載）；基礎變位沉降；混凝土收縮及徐變；預加力。

可變作用。汽車荷載：城-A級，按單向三車道計算；人群荷載：3.5 k P a；還包括溫度作用、風荷載。

主要設計參數。塑料波紋管孔道摩阻系數μ=0.15，孔道偏差系數k=0.0015；單端錨具變形及鋼束回縮值取6 mm。

3.2 分析結果

3.2.1 正截面抗彎強度驗算

根據混凝土橋規[6]第5.1.5條規定，對構件的承載能力極限狀態進行驗算，要求滿足下式要求：

即要求考慮結構重要性系數后的抗彎強度效應值不大于抗力計算值。承載能力極限狀態下，結構正截面抗彎承載力包絡圖見圖6所示。

圖6 正截面抗彎承載力包絡圖

計算結果見表1所列。

表1 正截面抗彎驗算結果一覽表

從以上結果可知，作用效應小于抗力值，且有一定的富余量，滿足規范要求。

3.2.2 正截面抗裂性驗算

該橋按全預應力混凝土構件進行設計，根據混凝土橋規[6]第6.3.1條規定進行正截面抗裂驗算。要求滿足在作用（或荷載）短期效應組合下：

計算結果如表2所列。

表2 正截面抗裂分析結果一覽表

最小壓應力在中支點附近上緣為0.4M P a；跨中下緣為1.1 MPa；邊跨現澆段附近上緣為0.5 MPa；滿足規范要求。

3.2.3 斜截面抗裂性驗算

根據混凝土橋規[6]第6.3.1條規定對全預應力混凝土構件斜截面主拉應力進行驗算。要求滿足在作用（或荷載）短期效應組合下：

計算結果顯示最大主拉應力出現在中支點附近，為0.8 MPa＜1.096 MPa。滿足規范要求。

3.3 成橋狀態分析

橋梁竣工時，梁體上、下緣應力狀態見圖7所示。

圖7 成橋狀態主梁上、下緣應力曲線圖

從圖7可知，竣工時，主梁梁體全截面均處于受壓狀態，梁體支點截面下緣壓應力小于上緣壓應力，跨中截面上緣壓應力小于下緣壓應力，梁體應力狀態有利于抑制長期下撓，該橋的成橋狀態為合理成橋狀態[1]。

4 結語

大跨預應力混凝土變截面連續梁橋具有清晰的傳力途徑及可靠的平衡機制，造價相對低廉，施工快捷，運營維護費用低，適應性好，是50～200 m跨徑內最適宜的橋型。

本文從截面形式選取及主要尺寸的擬定、預應力布置、結構計算及成橋狀態分析等要點對湖南某橋實例設計進行了研究總結，可為以后該類橋型結構設計提供借鑒。對于該類橋梁梁體開裂和變形的耦合效應及如何從設計角度采取相應的措施進行抑制還需作進一步的深入研究。

[1]劉釗.橋梁概念設計與分析理論（上冊）[M].北京:人民交通出版社，2010.

[2]呂志濤，潘鉆峰.大跨徑預應力混凝土箱梁橋設計中的幾個問題[J].土木工程學報.2010，43（1）：70-76.

[3]DB 43/T801-2013，次張拉低回縮鋼絞線豎向預應力短索錨固體系設計施工和驗收規范[S].

[4]CJJ 11-2011，城市橋梁設計規范[S].

[5]JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范[S].

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

U442.5

B

1009-7716（2017）06-0102-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.029

2017-03-06

劉文明（1983-），男，貴州畢節人，工程師，從事橋梁工程設計工作。