多跨連續預應力混凝土變截面箱梁橋設計

李盛洋，王利光，陳杏枝

(1.湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢市 430051； 2.武漢青山長江大橋建設有限公司 武漢市 430019)

1 工程概況

青山長江公路大橋是武漢市四環線工程的一部分，是形成連接東部、北部新城組群內部發展過程中具有復合交通功能的快速通道。項目起點連接四環線北湖至建設段，終點連接四環線武湖至吳家山段。其中南汊主航道橋為(350+938+350)m的雙塔雙索面鋼箱及鋼箱結合梁斜拉橋，北汊副航道橋為(65+3×110+65)m預應力混凝土連續箱梁橋[1]。

2 跨徑布置

根據通航論證報告，北汊航道橋梁單孔單向通航凈寬不應小于68m，單孔雙向通航凈寬不應小于123m，凈空高度不小于18m。綜合經濟適用的原則，最終按照三個通航孔設計，單個通航孔主跨跨徑為110m。在保證主跨跨徑的基礎上，考慮結構受力的合理性，盡量滿足邊跨與通航孔跨徑相匹配，從而達到功能、受力、景觀等多方面的協調統一。跨徑布置如圖1所示。

圖1 北汊副航道橋跨徑布置圖(單位：m)

3 結構形式的選擇

根據最高通航水位與通航凈空的要求，北汊副航道橋主墩高度均在30m以上，在初步設計過程中，對變截面連續剛構與變截面連續箱梁進行對比分析。

經過對比分析，在采用連續剛構的結構形式下，39及42號橋墩墩底在溫度力下，最大拉應力達3.67MPa，橋墩基礎產生較大不平衡力。最終連續剛構方案調整為將39及42號墩頂設置為活動支座，在40及41號墩設置為空心墩的剛構與連續梁的組合形式，即剛構-連續梁方案。

對比兩種方案，連續梁方案在靜力計算中具有一定優勢，橋墩在溫度力下，承受較小不平衡力，梁體可自由伸縮，實現力的釋放；剛構-連續梁方案在靜力計算中，橋墩墩底承受一定拉應力，空心墩最不利荷載作用下產生1.78MPa拉應力。剛構-連續梁方案在動力計算中則顯現出一定優勢，通過40及41號墩固結，結構在地震動作用下，由中間兩個主墩分擔縱向地震力，較大地減輕單個主墩的地震荷載；對于連續梁方案，由于三個主跨的主梁縱向地震力均由40#主墩承受，對結構基礎較為不利。

經過對比分析，考慮以下因素：連續梁方案在靜力上具有較好優勢，且主梁受力合理，結構體系統一；通過采用減隔震支座，將E1地震作用由固定墩承擔；E2地震動下，通過減隔震支座，由多個橋墩的墩頂支座共同耗能，也可以取得較好的抗震性能。最終選擇連續梁方案為推薦方案。

4 結構設計

4.1 箱梁構造設計

箱梁采用C50混凝土，橫向為分離的單箱雙室截面，主梁頂寬20.25m，兩側翼緣寬均為3.75m，底寬12.75m，每幅橋面設單向2%的橫坡。連續箱梁中跨墩頂支點處梁高7m，跨中處梁高為3m，梁高為二次拋物線漸變。

頂板懸臂端厚20cm，距離端部2m處設置轉折點，相應位置處頂板厚50cm，懸臂板根部厚75cm。箱室內頂板厚度32cm，頂板厚度不變，在支點位置處加厚至60cm。底板采用變厚度布置，支點處厚度為100cm，跨中厚度為30cm，采用二次拋物線漸變。為適應不同位置處截面剪力，共設置三種腹板厚度。支點處腹板厚度為110cm，自根部到0號塊端部漸變至70cm，中部30m長度主梁為等厚腹板，隨后兩個節段，腹板漸變至50cm直至跨中。單箱三室結構，中腹板沿主梁橫向中心線漸變，邊腹板沿腹板外緣線漸變。

0號塊長度為11m，箱梁底部設置4m等高段，中支點處隔板厚3m，隔板底部設置1.6×1.2m人孔。為減小最大節段重量，1號塊長度僅設置為2.5m；2至7號節段長3m；8至14號節段長4m；合龍段長2m；兩端邊跨共設置8.8m現澆段。為提高箱梁整體性，在本橋邊跨跨中及中跨1/3跨位置處布置隔板，跨中隔板厚度為35cm。邊支點隔板厚度為1.8m，底部設置1.6×1.2m人孔。

在主梁端部，通過在端部設置35cm預應力張拉槽，并設置20cm后澆段，兩端接線橋梁35cm張拉槽，提供90cm張拉作業空間，保證后期邊跨頂底板預應力束梁段張拉的可操作性。梁端張拉槽及后澆段設置如圖2所示。

圖2 梁端預應力張拉空間預留圖(單位：cm)

4.2 箱梁預應力設計

本橋在箱梁腹板及頂、底板中配置縱、橫、豎三向預應力；在0號塊墩頂隔板內配置橫向預應力。縱向及橫向預應力鋼筋采用ΦS15.2鋼絞線，豎向預應力及0號塊隔板橫向預應力采用JL32精軋螺紋粗鋼筋。

(1)縱向預應力

主梁縱向按照全預應力構件設計[2]，箱梁內設置腹板束、頂板束及底板束。腹板束采用15-22型鋼束，中腹板布置于中心線處，邊腹板預應力布置于距離外邊緣31cm位置處。懸臂段頂板束沿腹板束中心線對稱布置，頂板束采用15-19型鋼束，橫向布置間距為20cm。本橋邊跨現澆段較短，單個箱室僅設置4根15-19的頂板束，布置于邊跨頂板；為避免邊跨節段應力突變，邊跨頂板束采用四種長度布置，保證預應力均勻過渡。邊跨頂板束長度較小，均采用單端張拉形式。中跨與邊跨底板束均采用15-15型鋼束，布置于底板中部，中跨底板束兩端均采用齒塊錨固，端部底板束跨中側錨固于齒板，端部錨固于端橫梁。為避免邊跨頂板束在主梁端部頂緣產生的二次力，邊跨底板束端部均設置較長彎起段。

(2)頂板橫向預應力

沿主梁長度方向按照50cm間距，于頂板設置橫向預應力。橫向預應力采用15-3型預應力束，張拉端采用扁錨。橫向預應力沿橋梁橫向對稱布置，為保證端部錨固空間，懸臂板端部距離梁頂緣10cm，于距離端部1m位置處開始漸變，通過80cm長漸變段，漸變至距離頂板頂緣8.5cm。橫向預應力均為單端張拉，考慮其受力合理性，張拉端沿梁長交錯布置。

(3)腹板豎向預應力

根據不同的腹板寬度，設置不同的豎向預應力布置形式。50cm厚度腹板設置單根豎向預應力，豎向預應力沿腹板束交錯布置；70cm厚度腹板設置雙根豎向預應力，腹板束兩側各布置一根。豎向預應力束縱向間距為50cm。

(4)0號塊隔板橫向預應力

為提高主墩支點隔板橫向抗裂性能，在0號塊隔板設置了橫向預應力。對于大跨徑變截面連續箱梁橋，墩頂根部截面高度較大情況下，將隔板設計成全預應力或A類預應力構件，需要布置較多預應力鋼束，方使得混凝土截面應力達到規范要求。對于跨徑小，截面大的橫向隔板，按照預應力構件進行設計會導致截面承載力富余量過大。本橋底板總寬12.75m，橫向設置雙支座，隔板橫向理論跨徑7.8m，凈跨徑6.6m；0號塊墩頂隔板高7.0m，寬3.0m。本橋設計過程中，將橫梁按照鋼筋混凝土構件考慮，驗算其承載力滿足設計要求下，配置橫向預應力為隔板提供橫向壓應力儲備。在這種設計理念下，0號塊隔板共設置三層橫向預應力，每層布置5根，縱向間距50cm。

4.3 橋墩及基礎設計

(1)橋墩設計

主墩為鋼筋混凝土實心墩，主墩39～42號墩順橋向寬3.5m，橫橋向寬11.0m。為保證主墩外形與標段內其他橋墩的協調性，最終橋墩斷面調整為兩側3.5m×3.2m矩形體，中間為2.5m×4.6m矩形相連的形式；兩側矩形體四角設置R=50cm圓弧。

邊墩與主墩外形相似，底部截面與主墩一致。為保證墩頂兩側橋梁邊支座的布置空間，邊墩頂部順橋向寬度為4.0m，墩頂設置2m等厚段，墩身漸變段為10m，從上至下，由4.0m漸變至3.5m。

橋墩設計過程中，考慮后期制作更換的作業空間，在墩頂設置了80cm深度的支座更換槽。由于采用減隔震支座，支座高度較高；通過加強支座墊石配筋，將抗震擋塊由支座墊石支撐，優化了擋塊尺寸。見圖3。

圖3 墩頂布置示意圖

(2)基礎設計

北汊副航道橋主墩采用17.0m×10.75m方形承臺，承臺厚4.0m。單幅主墩基礎采用6根直徑2.5m鉆孔灌注樁，按照兩排3根樁基布置，樁中心間距6.25m，主墩樁長為80～86m不等。交接墩采用13.6m×8.6m方形承臺，承臺厚3.5m，單幅基礎采用6根直徑2.0m鉆孔灌注樁，樁中心間距5m，樁長65m。

5 施工方法

北汊副航道橋基礎采用先平臺后圍堰法的施工方法。先插打鋼管樁，搭建施工平臺；下沉鋼護筒后，安裝鉆機進行鉆孔；隨后吊放鋼筋籠，澆注鉆孔樁。在鉆孔灌注樁施工完成后，進行平臺清理，隨后下放圍堰至設計高程。對圍堰內底板進行水下清理工作后，進行圍堰封底混凝土施工；封底混凝土采用水下垂直導管法灌注。待封底混凝土強度達到設計要求后對圍堰內進行抽水，然后施工承臺。墩身模板采用整體鋼模板，通過3節鋼模板翻模循環施工，即頂節模板不動，拆除下節段模板安裝在頂節模板上，連續循環翻轉。

完成墩體施工后，在主墩附近搭設臨時支架，隨后澆注0號塊。主梁節段采用懸臂澆注法施工[3]，設計最大掛藍及模板重量按照1200kN考慮。本橋為多孔連續梁，對比分析后，采用先合龍邊跨，隨后合龍次邊跨，最后合龍中間跨的合龍形式。主梁合龍采用外部勁性骨架支撐，合龍完成后拆除外部勁性骨架[4]。

6 主要創新點

(1)合理選取結構體系。結合橋梁實際建設條件，為確定合理的結構體系和總體布置，設計研究比較了連續梁及剛構-連續梁兩種結構體系在力學性能上的優劣，分析了在靜力及動力作用下不同體系對結構受力的影響。最終結合結構耐久性等因素，采用連續梁體系加減隔震支座的方式，使得結構在靜力及動力作用下均有較好的結構性能。

(2)合理確定結構構件類型。橋梁縱向按照全預應力混凝土構件進行設計，保證結構在正常使用及承載能力極限狀態下均有一定儲備。0號塊墩頂隔板按照鋼筋混凝土構件設計，避免過多橫向預應力的配置，僅設置橫向預應力鋼束增加其橫向壓應力儲備。

(3)增加在構造細節上的考慮。在主梁端部增設預應力張拉槽，并設置混凝土后澆段，為施工過程中邊跨預應力鋼束的張拉預留空間；主墩及輔助墩墩頂設置支座更換槽，方便后期支座更換作業；優化了擋塊設計，通過加強墊石鋼筋配置，將擋塊由支座墊石支撐，減小擋塊長度。

7 結論

結合北汊副航道橋的特點，介紹了多跨高墩預應力混凝土變截面連續箱梁在結構體系、結構構件及構造細節上的設計，同時對其主要施工方法進行了介紹。變截面預應力混凝土連續箱梁橋是目前較為普遍的一種橋型，本橋設計過程中的構思和考量可為其他類似項目的建設提供參考與借鑒。