預應力混凝土連續梁橋設計與結構驗算分析

文/張鐵強

1 前言

由于橋位所處位置的特殊性，城市橋梁的設計準則與一般公路橋梁有所不同，除了要考慮橋梁本身結構要求外，還應滿足運營使用、交通開發和城市發展等要求，按照實用、安全、經濟和美觀原則設計[1]。橋梁的設計原則：實用，并且有足夠的載荷能力，以保證行駛順暢、舒適和安全；航運交通要道上的橋梁應保證通航要求；安全，未來橋梁設計不斷向人文發展，舒適安全是一切生產的前提，既要控制橋梁縱橫震動振幅，也要避免汽車行駛振動與沖擊；經濟，其評價標準包括工程造價低、工期短、效率高、維護便捷等幾個方面；美觀，橋梁應盡量美觀，與周圍環境和諧，提升美學價值，重視環境保護和橋梁的建筑藝術[2]。

2 橋跨結構設計

2.1 橋型布置及主梁設計

本文案例橋梁設計總長度為220m，適用于大跨度橋梁的連續梁橋型式，斷面形式選用箱形截面。橋梁體系為分離的兩幅橋，單幅橋主梁箱形截面沿縱向二次拋物線變化，橋面總寬均為29m，雙向六車道通車，選用三跨連續箱型連續梁橋作為最終的設計方案[3]。

2.1.1 孔徑布置：60m+100m+60m，全長220m，邊跨約為中跨的0.6 倍。

2.1.2 結構構造：從預應力混凝土橋梁的受力特點來分析，連續梁的立面宜采用變截面布置。根據已建成橋梁的資料分析，支點梁高取H=6m，中跨的跨中梁高取h=2.5m。為方便計算與施工，邊跨的跨中梁高采用與中跨相同的值。

2.1.3 橋墩及基礎：經地質調查，柱墩選用柱式，其廣泛應用于公路橋梁、城市橋梁、立交橋和中小跨徑鐵路橋梁中，因其質量輕、節省材料的特點取勝于其他橋梁。此外，橋墩采用雙柱墩，柱直徑1.6m，橋墩基礎采用直徑1.8m、長度20m 的鉆孔灌注樁[4]。

2.1.4 施工方案：結構施工采用整體支架現澆筑的方法，即在支架上安裝模板，綁扎安裝鋼筋骨架，預留孔，現場澆筑箱梁混凝土，施加預應力[5]。

2.2 主要材料及材料性能

橋梁設計應滿足相關的關鍵技術標準，除了考慮整體的基準年限、荷載、行車速度，還需考慮橋面的空間高寬和縱橫坡度以及橋下通航等技術指標，本橋設計關鍵技術指標要求如表1 所示。

表1 預應力鋼束材料屬性表格

3 數值建模與內力分析

3.1 計算模型

運用有限元方法對連續梁橋梁進行主梁結構計算，是橋梁配筋及驗算的重要手段。試將全橋劃分為70 個有限單元，其中節點設置79 個，邊界條件數8 個。施工階段共設置47 個階段，施工步驟如下：首先安裝0#塊主梁，持續時間為10 天；13 個標準段依次進行掛籃、濕重、安裝等施工階段，持續時間各10 天；掛籃和安裝邊跨現澆段，持續時間各10 天；邊跨合攏段安裝階段的持續時間為14 天，邊跨合攏體系轉換階段的持續時間為14 天；邊跨合攏后再進行中跨合攏，中跨合攏階段持續14 天；最后，再設置二期恒載持荷階段的持續時間10 天以及收縮徐變階段的持續時間3650天[6]。

3.2 荷載工況

根據公路橋涵設計通用規范，主梁內力計算其中主梁自重系數取為-1.04，設置荷載工況包括：恒載計算工況和活載計算工況（車道荷載，未考慮人群荷載），整體升溫和整體降溫、梁截面正溫度梯度和負溫度梯度，徐變收縮計算中構件理論厚度由程序自動計算，支座沉降按照每個地基及基礎的最大沉降量計算最不利荷載組合（各組不均勻沉降-10mm）。按此計算模型及荷載條件，并對該橋進行承載能力極限狀態基本組合和正常使用極限狀態短期效應組合[7]。

3.3 內力計算

根據前文梁跨結構縱向和橫向截面的布置，通過有限元模型荷載作用，進行各主梁控制截面永久作用內力和可變荷載作用內力分析。主橋在恒荷載工況下的內力結果如下圖1 所示，由此可知墩頂處存在最大負彎矩為3.85×108kN.m，跨中處存在最大中彎矩為1.219×107kN.m[8]。

圖1 恒載彎矩圖

4 有限元驗算結果

根據數值建模計算內力，由此估算預應力鋼筋以及各構造鋼筋，合理布置并調試預應力鋼束以及構造鋼筋，再運行PSC 設計、驗算主梁結構承載能力。按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018），由MIDAS 軟件 進 行PSC 驗 算，所得結果以圖表等形式所示。

4.1 承載極限驗算

預應力混凝土梁，在承載能力極限狀態下，沿正截面和斜截面均可能被破壞，根據規范進行正截面抗彎、斜截面抗剪、抗扭等承載能力驗算。其中，考慮結構重要性系數的作用效應的組合設計最大值均小于等于構件承載力設計值，參照T 形或者工形截面計算箱形截面受彎構件的正截面承載能力。由于未考慮普通鋼筋參與受力，故按下列規定計算正截面抗彎承載能力時也不需要考慮普通鋼筋的影響，驗算結果如圖2 所示，正常使用極限與構建應力驗算結果如表2所示，滿足規范要求[9]。

表2 正常使用極限與構件應力驗算結果

圖2 正截面抗彎承載能力驗算結果圖形

4.2 正常使用極限與構件應力驗算

5 結語

本文詳細介紹了某預應力連續橋梁結構設計。連續主梁結構設計時，將有限元分析與規范相結合，可保證結構內力計算和承載驗算的準確性，極大提高工作效率，降低工作難度；同時，還分析了該大跨徑連續梁橋的主梁在永久荷載和可變荷載作用下的受力情況，設計驗算時應考慮最不利承載力值[10]。本文設計中對于承載能力極限狀態結果的驗算，可看出跨中存在最大彎矩值，預應力鋼筋應從墩頂處開始張拉布置；對于正常使用狀態結果中主梁在橋墩兩側最大值，應將其作為驗算控制值；對于混凝土壓應力驗算，預應力鋼筋不能布置過多，以防出現混凝土壓應力過大的情況。