大石田特大橋主梁結(jié)構(gòu)整體靜力分析

王 波

中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100097

1 工程背景及概況

擬建大石田特大橋位于大石田村，橋梁起點(diǎn)接坳仔坑隧道，終點(diǎn)接春灣互通，橋位所在路線平面為分離式路基，按上下行兩座獨(dú)立橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，跨越山間沖溝谷地，橋面至沖溝底高達(dá)120m，地形較為陡峭；橋型方案設(shè)計(jì)時(shí)要避免過多的橋墩落在谷底，盡量減少高墩數(shù)量、減小主跨跨徑。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大石田特大橋左右線橋?qū)捑鶠?6.5m，左線橋跨布置：[12×39+(92+2×170+92)+3×39]m；右線橋跨布置：[5×42+5×40+(92+2×170+92)+3×39]m；主橋采用PC 變截面連續(xù)剛構(gòu)，引橋采用39m、40m、42m 先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T 梁；主墩采用單肢空心薄壁墩，最高墩高99.7m，主墩壁厚1m，橫橋向?qū)?0.5m，順橋向?qū)?.5m。承臺(tái)采用21m×21m 矩形承臺(tái)，厚5m，下設(shè)16 根直徑為2.2m 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩身采用C40 砼，承臺(tái)、樁基采用C30 砼。（1）主梁。主梁采用C55 砼，箱梁頂、底面寬分別為16.5m、8.5m，懸臂4m。箱梁梁高、底板厚自根部至跨中按2 次拋物線變化，梁高的計(jì)算公式如下：

頂板厚32cm，腹板自根部至跨中分為3 段，厚度分別為90cm、75cm、55cm。箱梁0 號塊長12m，縱向?qū)ΨQ的3個(gè)懸澆T 構(gòu)由19 個(gè)節(jié)段組成，由根部至跨中，節(jié)段劃分為(4×3.5+7×4+8×4.5)m，節(jié)段懸澆總長78m。箱梁根部主墩頂設(shè)2 道1.5m 厚的橫隔板，跨中橫隔板厚0.5m，邊跨梁端橫隔板厚1.5m，其余部位不設(shè)橫隔板，21’號梁段底板設(shè)有檢修孔。箱梁斷面底板水平，腹板鉛直，頂板橫坡為2%，橫坡由內(nèi)外側(cè)腹板差實(shí)現(xiàn)。三向預(yù)應(yīng)力束均使用Φs15.2mm鋼鉸線，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束線型由平彎、豎彎構(gòu)成，兩端張拉；在箱梁頂面及0 號塊橫隔板布置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，采用單端張拉；豎向預(yù)應(yīng)力鋼束布置在箱梁腹板內(nèi)，在箱梁頂面單端張拉。（2）主墩。鑒于該橋主墩墩高均接近100m，采用單肢空心薄壁墩，墩頂線剛度較柔，可以適應(yīng)變形的要求。山區(qū)高速公路，高墩常采用滑模或爬模施工，從施工的便捷性出發(fā)，綜合地形、造價(jià)、施工等因素，結(jié)合定測驗(yàn)收意見，為減少基礎(chǔ)規(guī)模，大石田特大橋主墩采用單肢空心薄壁墩。

3 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）計(jì)算方法和內(nèi)容。全橋結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用平面桿系有限元理論，總體縱向靜力計(jì)算采用橋梁博士（Dr.Bridge）3.6、Midas/Civil 2017 進(jìn)行計(jì)算，相互校核計(jì)算，確保結(jié)構(gòu)安全。全橋離散為294 個(gè)梁單元，其中上構(gòu)主梁為154 個(gè)梁單元，下構(gòu)橋墩為140 個(gè)梁單元，按照懸臂澆筑施工方式，共建立89 個(gè)施工階段。橋梁博士（Dr.Bridge）3.6、Midas/Civil 2017 的整體結(jié)構(gòu)計(jì)算有限元模型如圖1、圖2 所示。

圖1 橋梁博士（Dr.Bridge）3.6 全橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖2 Midas/Civil 2017 全橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

（2）計(jì)算荷載及參數(shù)。計(jì)算考慮恒載、汽車荷載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)不均勻沉降、溫度、風(fēng)荷載、制動(dòng)力等荷載作用。主墩不均勻沉降取30cm，邊墩取20cm。系統(tǒng)升、降溫作用按照±25℃考慮，溫度梯度根據(jù)規(guī)范取用。縱向頂板懸澆鋼束采用M15-23，腹板下彎鋼束采用M15-23、M15-21，邊中跨頂?shù)装暹B續(xù)束采用M15-21，張拉控制應(yīng)力為0.72fpk（fpk為預(yù)應(yīng)力鋼束抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）。一個(gè)張拉端錨固時(shí)彈性回縮合計(jì)變形取6mm，采用塑料波紋管，管道摩阻系數(shù)mu=0.25，局部偏差系數(shù)k=0.0015。頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用M15-3，間隔單端張拉，豎向預(yù)應(yīng)力鋼束采用M15-3，頂板處單端張拉，橫豎向鋼束張拉控制應(yīng)力為0.75fpk；0 號塊橫隔板及腹板采用M15-5 預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束張拉控制應(yīng)力為0.75fpk。設(shè)計(jì)掛籃自重145t（含模板與機(jī)具），合攏吊架自重60t，中跨合龍前頂推力取值6240kN。

（3）主梁承載能力驗(yàn)算。在承載能力極限狀態(tài)下，橋梁博士（Dr.Bridge）3.6、Midas/Civil 2017 計(jì)算的箱梁墩頂截面最大彎矩分別為2670000kN·m、2297470kN·m，跨中截面最大彎矩分別為348000kN·m、377824kN·m，均小于程序各自計(jì)算抗力，符合規(guī)范相關(guān)要求。

（4）主梁短暫狀況的應(yīng)力驗(yàn)算。施工階段對邊跨合攏前最大懸臂狀態(tài)，中跨合攏前最大單懸臂狀態(tài)、中跨合攏后成橋狀態(tài)的應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，如表1 所示。

表1 短暫狀況主梁法向應(yīng)力 單位：MPa

表2 持久狀況主梁應(yīng)力 單位：MPa

表3 主梁墩頂及跨中應(yīng)力 單位：MPa

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，為有效解決跨中下?lián)蠁栴}，跨中截面下邊緣應(yīng)有一定壓應(yīng)力儲(chǔ)備，跨中截面下邊緣壓應(yīng)力宜≥ (1+L/100)MPa（L 為PC 剛構(gòu)主跨最大跨徑，m）。從表3中可以看出，正截面和斜截面均為壓應(yīng)力，符合規(guī)范要求，且跨中應(yīng)力儲(chǔ)備均大于(1+L/100)=2.7MPa。

（7）主梁剛度計(jì)算。頻遇值組合下，橋梁博士（Dr.Bridge）3.6、Midas/Civil 2017 計(jì)算的汽車荷載產(chǎn)生的主梁中跨最大豎向撓度分別為62mm、43mm。小于規(guī)范限值L/600=283mm。主梁剛度均符合要求。

4 結(jié)束語

通過主梁承載能力，主梁持久狀況和短暫狀況的應(yīng)力，主梁抗裂及主梁剛度計(jì)算分析，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。在運(yùn)營使用階段，大跨剛構(gòu)主梁在最不利荷載組合下，跨中截面下邊緣應(yīng)有一定壓應(yīng)力儲(chǔ)備，能有效解決跨中下?lián)蠁栴}。鑒于高墩常采用滑模或爬模施工，從施工便捷性考慮，減少基礎(chǔ)規(guī)模，避免主墩承臺(tái)施工對山體大量開挖，單肢空心薄壁墩用于山區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)是合理的。