預應力混凝土連續剛構橋總體設計與計算分析——以梧州市西江三橋188m跨為例

王 鵬 （廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

1 工程背景

由于預應力連續剛構橋具有行車舒適、施工方便、跨距較大、造價較低等優點，故在我國公路橋梁工程建設中得到了廣泛的應用。近年來，國內學者在連續剛構橋方面進行了較多研究。本文以梧州市西江三橋188m跨連續剛構橋為研究背景，運用Midas Civil軟件建立橋梁有限元計算模型，進行受力與變形分析，以期為同類連續剛構橋梁的跨徑布置設計提供參考與借鑒。

梧州市位于廣西東部，與粵港澳一水相連，毗鄰經濟發達的珠江三角洲，背靠大西南廣大地區，是大西南與粵港澳聯系的重要通道。為滿足梧州市交通出行發展的需要，使西江兩岸規劃的城市道路和其他基礎設施發揮更大的作用，也為了盡快發揮西江三橋作為該區域交通主通道的作用，梧州市政府提出抓緊進行西江三橋的建設工作。

2 總體設計

西江三橋的建設是聯通梧州市南環快速干線和東環快速干線的重要工程之一。位于南環快速干線北側的長洲壩址進場道路正在籌建，蒼梧區東側、南側道路亦加緊規劃，洛湛鐵路上馬后，在石良角架設起公路鐵路兩用大橋與本項目將構成順暢的南環快速干道，將西城、長洲島、蒼梧城區有機地聯系起來。對于東環快速干線，東環路、云龍大橋和梧信公路連接線已經建成，站前快速干道和旺步至蒼梧區東緣的東環快速干線將把東環快速干線連接起來，將河東、塘源、高旺、蒼梧、西城、河西、蓮花山等城區和工業區緊密地連接在一起，避免交通過分向城市中心集中，使部分市內運輸貨物繞開市中心，減輕市區交通壓力和對居民生產、生活的干擾。

西江三橋工程線路由西北延伸至東南，起點始于站前快速路與西江三橋相交的喇叭形立交處的三龍片區，跨越西江汊河道至長洲島區，再跨越西江主河道到達蒼梧區，終點位于207國道交叉處。

西江三橋工程跨越西江主航道，規劃為I級航道，通行船舶等級為3000t級。采用單孔單向通航的航道凈寬為168m，凈高為13m。由于橋梁位于水利樞紐下游，船舶通航密度大，橋區通航條件復雜，結合西江主航道河床寬度，設置三個通航孔，通航孔跨徑為188m。

針對上述橋梁跨徑，傳統的懸索橋適用的跨徑較大，本項目不適合；目前流行的自錨式懸索橋由于施工工序繁雜、造價高，100多米也不是其經濟跨徑。因此，本項目橋梁方案設計除了懸索橋外可供選擇的橋型主要有連續剛構橋、拱橋、斜拉橋、矮塔斜拉橋等。

由于本橋位于梧州機場航空限高范圍內，橋面建筑物高度受到嚴格限制。所以，本橋不宜采用拱橋或斜拉橋。而連續剛構橋沒有過高的橋上建筑，且具有外觀簡潔、整體協調、技術成熟、施工方便、造價低等優點。因此，本橋采用主跨為188m的連續剛構橋，邊跨跨徑為108m，邊中跨比為0.57。主橋跨徑組合為 108+3×188+108=780m，如圖 1所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

根據道路總體設計，橋梁橫斷面為雙向四車道，其總寬度為27.5m。橋梁采用分幅設計，單幅橋寬13.25m，具體為 1.75m（人行道）+2.5m（非機動車道）+8.5m（機動車道）+0.5m（防撞欄），如圖2所示。

圖2 梁橫斷面圖（單位：cm）

3 技術標準[9-11]

道路等級：城市快速路；

設計車速：60km/h；

設計荷載：汽車荷載：城—A級；人群荷載：3.0kN/m；

橋梁結構設計基準期：100年；

橋梁結構設計使用年限：100年；

橋梁設計安全等級：一級；

環境類別：Ⅰ類；

地震烈度：抗震設防烈度為6度，地震動峰值加速度為0.05g；

設計洪水頻率：1/300；

通航標準：Ⅰ級內河航道，航道凈寬：3m×168m，凈高13.0m。

4 結構設計

4.1 主梁結構設計

西江三橋主橋（108+3×188+108）m連續剛構橋單幅橋寬13.25m，采用單箱單室箱形斷面，其中底寬7.0m，兩側翼緣板懸臂長3.125 m。箱梁共劃分為24種梁段，其中0號梁段長度為10m，1～22號梁段為懸臂現澆段，長度為3.0m～5.0m，23號梁段為現澆合攏段，長度為2.0m。箱梁根部梁高為11.0m，跨中及邊跨端部梁高為4.2m。箱梁梁高變化采用1.8次拋物線，變化范圍為懸澆段末端至墩身外側處。箱梁腹板厚度為50cm～90cm。箱梁頂板厚度為28cm～35cm，底板厚度為 32cm～110cm，底板厚度變化采用1.8次拋物線。箱梁頂板設置2%的橫坡，橫坡由腹板高度調整，底板保持水平。其根部箱梁橫斷面如圖3所示，跨中箱梁橫斷面如圖4所示。

圖3 根部箱梁橫斷面圖（單位：cm）

圖4 跨中箱梁橫斷面圖（單位：cm）

4.2 主梁預應力設計

箱梁采用三向預應力體系，縱橋向頂板采用17、22股φ15.2高強低松弛鋼絞線，腹板預應力鋼束采用22股φ15.2高強低松弛鋼絞線，底板采用17、19股φ15.2高強低松弛鋼絞線。鋼絞線抗拉強度標準值fpk＝1860MPa，張拉控制應力 σcon＝0.75fpk=1395MPa。頂板鋼束布置以平彎線型為主，錨固端附近采用局部豎彎；腹板鋼束布置在錨固端附近局部采用豎彎；底板鋼束采用平、豎彎結合布置。

頂板橫向預應力鋼束采用2股φ15.2高強低松弛鋼絞線，鋼束間距為50cm，鋼絞線抗拉強度標準值fpk＝1860MPa，張 拉 控 制 應 力 σcon＝0.75fpk=1395MPa，均采用交錯單端張拉。

豎向預應力鋼束布置于腹板，采用二次張拉技術。采用3股φ15.2高強低松弛鋼絞線，鋼絞線抗拉強度標準值fpk＝1860MPa，張 拉 控 制 應 力 σcon＝0.65fpk=1209MPa，均采用單端張拉。根據腹板厚度，豎向預應力設置為一排單根或兩根。

4.3 主橋橋墩設計

主橋橋墩采用雙肢薄壁空心墩，單肢橋墩斷面采用單箱單室斷面，縱橋向寬2.0m，對應壁厚為0.5m，橫橋向寬與上部箱梁底寬相同為7.0m，對應壁厚為0.9m，其橫斷面如圖5所示。兩肢箱型橋墩之間的凈距為6.0m。

圖5 單肢橋墩橫斷面圖（單位：cm）

5 計算分析

5.1 計算模型

本橋結構主梁按全預應力結構設計，結合施工方案及其構造特征進行結構離散，高樁承臺按等代基礎模擬。計算分析應用了Midas/Civil軟件，全橋共劃分為481個單元和502個節點,其中橋面單元333個。計算模型如圖6所示。

圖6 全橋計算模型

5.2 施工階段劃分

根據施工總體安排，共劃分有28個施工階段。箱梁懸臂施工階段采用10d為一施工周期，其中張拉預應力時混凝土齡期為5d。具體施工段劃分：

階段1：完成樁、承臺及墩身及0號塊施工；

階段2：拆除托架，安裝掛籃；懸臂澆筑1#梁段，張拉1#梁段預應力；同時安排邊墩施工，安放邊墩支座；

階段3～23：移動掛籃；懸臂澆筑2#～22#梁段，張拉相應梁段預應力，支架澆筑邊跨現澆梁段；

階段24：移動掛籃；調整邊跨及中跨合龍段標高，安裝邊跨及中跨合龍段剛性連接，在合龍段兩端各加平衡重，澆筑邊跨及中跨合龍處23#梁段,同時等重卸除平衡重；張拉邊跨及中跨合攏鋼束；

階段25：施加邊中跨頂推力1000t；

階段26：安裝邊中跨合龍段剛性連接鎖定,在合龍段兩端各加平衡重,澆筑邊中跨23#梁段,同時等重卸除平衡重；拆除施工吊架；按從長束到短束順序張拉中跨底板預應力；

階段27：澆筑防撞欄混凝土,完成橋面鋪裝等附屬工程,質檢驗收；

階段28：完成收縮徐變10年。

5.3 主要計算結果

5.3.1 持久狀況承載能力極限狀態計算

在最不利荷載組合下，主梁的正截面彎矩內力包絡如圖7所示。

圖7 主梁正截面彎矩包絡圖（單位：kN·m）

根據計算，主梁墩頂負彎矩正截面抗彎承載能力值為-295378.6kN·m，跨中正彎矩正截面抗彎承載能力值為40780.5kN·m。因此，持久狀況主梁的抗彎承載能力極限狀態滿足規范要求。

在最不利荷載組合下，主梁的正截面剪力包絡如圖8所示。

圖8 主梁正截面剪力包絡圖（單位：kN）

根據計算，主梁墩頂正截面抗剪承載能力值為7125.2kN。因此，持久狀況主梁的抗剪承載能力極限狀態滿足規范要求。

5.3.2 正常使用極限狀態下結構抗裂驗算

正常使用極限狀態下作用短期效應組合主梁正截面上緣應力如圖9所示，下緣應力如圖10所示。

圖9 主梁上緣正截面短期效應組合應力圖（單位：MPa）

圖10 主梁下緣正截面短期效應組合應力圖（單位：MPa）

根據規范，按全預應力構件設計的主梁在最不利荷載組合下，作用短期效應組合正截面不允許出現拉應力。由上下緣應力圖可以看出，各截面均沒有出現拉應力，滿足規范要求。

5.3.3 持久狀況和短暫狀況構件的應力計算

持久狀況和短暫狀況作用標準值組合下，主梁正截面法向上緣應力如圖11所示，下緣應力如圖12所示。

圖11 主梁上緣正截面標準組合應力圖（單位：MPa）

圖12 主梁下緣正截面標準組合應力圖（單位：MPa）

根據規范，在最不利荷載組合下，使用階段作用標準值組合主梁正截面法向壓應力不應超過0.5f。本橋主梁采用C60混凝土，主梁正截面受壓區混凝土的最大壓應力為18.9MPa，小于限值19.25 MPa，滿足規范要求。5.3.4活載撓度計算

在汽車活載作用下，主梁的撓度如圖13所示。

圖13 主梁汽車活載撓度圖（單位：mm）

根據計算，汽車活載最大撓度為40.9mm，未超過規范規定的1/600L=313.3mm。說明本橋的剛度足夠大，滿足規范要求。

6 結語

廣西梧州市西江三橋跨越西江黃金水道，航道等級高，周邊自然環境條件復雜，受限制因素多，主橋采用五跨一聯的雙薄壁墩預應力混凝土連續剛構橋，其跨徑組合為（108+3×188+108）m，主橋全聯長度達780m。無論從單跨跨徑，還是從橋梁總長方面來看，在同類型中都屬于較大規模橋梁。

本文主要介紹了該橋的總體設計特點，并采用Midas/Civil軟件進行有限元分析，對計算結果進行分析整理。結果表明該橋承載能力、抗裂性能以及橋梁剛度等各項指標均滿足規范要求。該橋的設計是合理且安全可靠的，可以為今后同類型橋梁的設計提供參考。