單箱單室窄箱梁結構設計及力學特性分析

徐涵，黃春亮，胡帥，李蓉

(1.中交通力建設股份有限公司 湖南分公司，長沙 410015；2. 湖南和天工程項目管理有限公司，長沙 410205)

1 引言

伴隨著經濟持續發展，人們對交通的需要和依賴越來越大，各類交通荷載也在逐年增加。早期大多數混凝土橋梁超負荷使用，容易出現裂縫、基礎不穩及耐久性差等病害，其性能大大降低，有些橋梁結構甚至失效，存在巨大的安全風險[1]。結合工程實例，本文著重探討預應力混凝土窄箱梁橋結構設計的要點和力學特性，采用高度發展的計算機輔助手段，進行有效快速優化和仿真分析，提高設計水平。

2 工程概況

本工程項目位于某提質改造工程中段，屬于老橋拆除重建。老橋跨越水庫溢洪道，跨徑布置為1×20 m 的雙曲拱橋，根據老橋特殊檢測報告對其評定為4 類。結合相關單位意見，最終決定采用拆除老橋，在原橋位重建橋梁的設計方案。為避免破壞溢洪道和導流墻，橋梁方案比選后最終采用1×40 m 預應力混凝土現澆簡支箱梁結構，橋長46.08 m，橋面寬度7.5 m。橋型立面布置如圖1所示。

設計過程中現澆箱梁采用C50 預應力鋼筋混凝土，橋面鋪裝由上而下構造為：9 cm 厚瀝青混凝土鋪裝層，防水層，8 cm 厚C50 鋼筋混凝土調平層。9 cm 厚瀝青混凝土按從上至下的順序分別為4 cm AC-13C 細粒式瀝青混凝土及5 cm AC-20 中粒式瀝青混凝土，鋪設瀝青混凝土之前應在橋面混凝土上噴涂防水層[2]。其余下部構造和附屬結構均采用C30 混凝土進行施工。

3 設計標準

1）設計荷載：汽車荷載等級為公路-II 級。

2）公路等級：四級公路。

3）設計車速：20 km/h。

4）橋面寬度：7.5 m，由凈-6.5 m(行車道）+2×0.5 m(防撞護欄）組成。

5）縱橫坡：縱坡為0.3%，橋面橫坡為雙向2.0%[3]。

4 橋梁設計原則

通過前期設計階段研究，根據橋位處的地形情況、線路走向，進行布設橋梁孔徑，優化過河方案。橋梁的建設還應從可持續發展和環保理念的角度去認識，使項目的環境和資源得到充分的保護[4]。橋梁設計遵循以下基本原則：

1）按照本工程規劃和工程建設的要求，在滿足交通水利、防洪等主要功能的前提下，新建橋梁的設計遵循“安全、耐久、適用、環保、經濟、美觀、便于施工及養護”的總體原則[5]。

2）遵循因地制宜、便于施工和養護的原則選擇橋型。本橋上部構造形式采用預應力混凝土(后張）現澆箱梁結構，截面采用單箱單室。該簡支結構擁有以下優點：(1）整體結構外形簡潔，底面平整光潔，線條流暢，受力明確，便于施工，具有良好的穩定性；(2）選用的箱梁橋整體性能好且結構剛度大，行車效果較好；(3）承重結構與傳力結構共同受力，截面效率高，達到經濟效果；(4）對溢洪道和導流墻影響較小。

5 箱梁結構設計

5.1 一般構造

結構形式采用C50 預應力混凝土(后張）現澆箱梁，橋面橫坡為雙向2%，由內向外，底板水平。箱梁截面采用單箱單室，箱梁梁高為2.3 m(箱梁高指底板至頂面線與橋梁中心線虛交點的距離），為跨度的1/17.36；箱梁頂板采用7.5 m 寬，底板寬4.5 m，箱室兩側懸臂尺寸均為1.5 m，懸臂端部厚0.15 m，根部厚0.45 m；箱梁頂板厚度為0.25 m，由跨中漸變至近梁端的0.45 m；底板厚度為0.23 m，由跨中漸變至近梁端的0.43 m；腹板厚度為0.50 m，由跨中漸變至近梁端的0.70 m；箱梁跨中設橫隔板，厚度采用0.5 m，底板和腹板均在距梁端4.0 m 處開始漸變[6]。

箱梁縱向支點距為38.8 m，支點距梁端為0.56 m。為方便箱內排水，在箱梁底板中心線上最低端處設置一個直徑為10 cm的泄水管；為方便施工，腹板與頂板內側采用0.8 m×0.2 m 直線倒角過渡，腹板與底板內側采用0.2 m×0.2 m 直線倒角過渡。箱梁截面構造詳見圖2。

5.2 預應力鋼束的布置

本箱梁采用雙向預應力體系?？v向鋼束采用高強低松弛鋼絞線，標準強度fpk＝1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率ρ=0.035，松弛系數ζ=0.3。腹板束采用φs15.2-19 兩束，錨下張拉控制應力為1 339.2 MPa； 底板束采用φs15.2-12 兩束，錨下張拉控制應力為1 339.2 MPa，采用兩端橫向對稱張拉鋼束[7]。錨具采用M15-19 和M15-12。

6 力學特性分析

6.1 計算模型

整體計算采用Midas Civil/Designer 對橋梁進行設計，按部分預應力(A 類）混凝土結構進行驗算。梁部沿縱向劃分成40 個單元，各單元的斷面形式都為單箱單室結構。設計過程中考慮溫度荷載的影響，按照整體升溫25 ℃，整體降溫25 ℃，自重系數采用1.04 進行分析。運用軟件建立模型進行強度、抗裂性及抗傾覆性計算，模擬出實際結構所有可能出現的不利施工狀態和運營工況[8]。箱梁模擬視圖見圖3。

6.2 荷載組合

公路橋涵結構設計應考慮結構上可能同時出現的作用，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行作用效應組合，取其最不利效應組合進行設計[9]。

6.3 結構驗算

正截面強度驗算：根據截面尺寸、配筋情況按照預應力鋼筋混凝土橋涵設計規范進行截面強度計算，然后跟截面彎矩進行比較[10]。經計算最大彎矩出現在20 單元。詳見圖4。

斜截面抗剪驗算： 主要對本箱梁的跨中、1/4 截面及支點截面控制點進行使用階段應力的驗算[11]。經計算，最大剪力出現在39 單元。詳見圖5。

正截面抗裂驗算：經計算，主梁在作用(荷載）短期效應組合或長期效應組合下，主梁均為全斷面受壓，未出現拉應力，滿足規范要求。頂板抗裂驗算包絡圖見圖6、底板抗裂驗算見圖7。

斜截面抗裂驗算： 經計算，主梁最大拉應力不超過0.213 MPa≤0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa，滿足規范要求。ftk為抗拉強度標準值。

正截面壓應力驗算：按照JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》相關要求，荷載取其標準值，汽車荷載考慮沖擊系數(μ=0.191）。經計算，在使用階段持久狀況下，主梁最大壓應力為13.045 MPa≤0.5fck=0.5×32.4=16.20 MPa，滿足規范要求。fck為抗壓強度標準值。詳見圖8。

斜截面主壓應力驗算：經計算，在使用階段持久狀況下，主梁產生的最大壓應力為13.045 MPa≤0.60fck=0.6×32.4=19.44 MPa，滿足規范要求。詳見圖9。

撓度驗算： 對本箱梁的1 號單元、21 號單元及41 號單元汽車荷載(不計沖擊系數）和人群荷載頻遇組合最大撓度設計值的驗算。經驗算，最大撓度出現在21 單元，設計值為10.324 mm≤最大撓度允許值fn=64.667 mm，滿足規范要求。因預拱值C 僅為0.001 m，故本次箱梁設計沒有設置預拱度。

考慮到本橋跨徑達到40 m，但全寬為7.5 m，而支點橫向間距僅為3.5 m，為防止橋梁發生傾覆需對本橋梁進行抗傾覆驗算，驗算組合為基本組合和標準組合?；窘M合中，所有的恒載組合系數為1.0?？箖A覆支反力驗算，采用基本組合包絡中永久作用系數為1.0 時對應的最小反力值。經驗算，各個節點最不利時，橫向抗傾覆軸穩定性系數k=37.78＞橫向抗傾覆軸穩定性系數允許值k=2.5，滿足規范要求。

7 結語

本文通過對40 m 單箱單室窄箱梁橋結構設計和力學特性分析計算，總結現澆簡支窄箱梁設計中需要注意的相關重點及基本結構設計內容。該橋梁施工完成，通過檢測無變形現象。箱梁混凝土表面平滑、色澤均勻，模板接縫處平順，箱梁縱橫坡和高程滿足設計要求，可為類似橋梁設計提供參考。