大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)研究

劉文明，謝春玲

（湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410075）

大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)研究

劉文明，謝春玲

（湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410075）

結(jié)合某（60+105+60）m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)，對(duì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土變高度連續(xù)箱梁橋截面形式的選取、結(jié)構(gòu)尺寸的擬定、預(yù)應(yīng)力鋼束布置方式等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了研究分析，可供同類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行參考。

預(yù)應(yīng)力混凝土；箱梁；橋梁設(shè)計(jì)；截面尺寸；裂縫；下?lián)?/p>

1 工程概況

某橋梁工程位于湖南省某地級(jí)市，為某城市主干道上跨河流而設(shè)。其主橋孔跨布置為（60+105+60）m，中跨105 m跨越河溝及一側(cè)人工岸堤，主橋全長(zhǎng)225 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變高度連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)主橋墩采用矩形實(shí)心墩，沖孔灌注群樁基礎(chǔ)。主橋箱梁與橋墩間通過設(shè)置盆式橡膠支座進(jìn)行連接，主橋孔跨布置見圖1所示。

圖1 主橋立面圖（單位：m）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 箱梁截面形式的選取

箱梁截面形式主要取決于橋面寬度；也與施工方法、上下部結(jié)構(gòu)連接方式等因素相關(guān)[1]。從該橋型已建橋梁情況來看，在早期橋梁設(shè)計(jì)中，橋面寬度不大于12m時(shí)，常采用單箱單室截面。近些年來，該截面形式所適用的橋面寬度范圍已擴(kuò)大至16 m。

該橋單幅橋?qū)?5 m，寬度相對(duì)適中，箱梁選擇使用單箱單室截面。該截面形式箱梁全截面受力相對(duì)合理；梁體材料用量較經(jīng)濟(jì)；利于懸臂掛籃澆筑施工；橫向設(shè)置的兩個(gè)支座均位于箱梁腹板下方，傳力路徑明確，設(shè)計(jì)合理。

2.2 箱梁梁高的確定

對(duì)于變高度連續(xù)箱梁，跨中截面梁高與主跨徑的比值一般取1/30～1/50，支點(diǎn)截面梁高與主跨徑的比值一般取1/16～1/20?？紤]已建成的大跨徑箱梁橋常出現(xiàn)的跨中梁體下?lián)?、開裂等病害情況，該橋梁設(shè)計(jì)截面梁高與主跨徑間的比值取偏大值，即適當(dāng)增加梁高，通過增大截面抗彎剛度來減小梁體的后期下?lián)?，抑制梁體裂縫的開展。

該橋跨中梁高取3 m（與主跨徑比值為1/35），支點(diǎn)梁高取6 m（與主跨徑比值為1/17.5），梁底按二次拋物線變化。

2.3 箱梁截面尺寸的確定

直接決定結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪承載能力及剛度的主要因素為箱梁的截面尺寸。箱梁壁厚尺寸設(shè)置偏小，會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的抗裂和抗剪能力，使混凝土箱梁更容易產(chǎn)生裂縫；同時(shí)也減小了結(jié)構(gòu)剛度，導(dǎo)致長(zhǎng)期變形的加劇。開裂與變形通常是伴隨出現(xiàn)，相互促進(jìn)惡化?；炷灵_裂和變形之間的關(guān)系可通過圖2來表示[2]。

圖2 混凝土開裂與變形關(guān)系圖

從設(shè)計(jì)角度來講，首先應(yīng)確保結(jié)構(gòu)具有足夠的正截面強(qiáng)度及斜截面強(qiáng)度；其次考慮適當(dāng)增加腹板厚度，其對(duì)梁體撓度影響并不大，卻可以較好地改善箱梁的抗裂及抗剪能力。

綜上分析，并結(jié)合主橋箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束布置情況，其斷面尺寸確定如下：

箱梁懸臂板長(zhǎng)3.75 m。箱梁頂板厚0.3 m；跨中底板厚0.32 m，中支點(diǎn)附近底板厚0.9 m，底板厚度從跨中至中支點(diǎn)方向按二次拋物線漸變；跨中腹板厚0.5m，中支點(diǎn)附近腹板厚0.9m，腹板厚度從跨中至支點(diǎn)方向通過直線段兩次過渡，即0.5m～0.7 m～0.9 m。

詳細(xì)尺寸如圖3所示。

圖3 箱梁橫斷面圖（單位：m）

2.4 預(yù)應(yīng)力束布置

結(jié)合箱梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，箱梁的縱向預(yù)應(yīng)力應(yīng)優(yōu)先布置在腹板內(nèi)，以及布置在靠近腹板的頂?shù)装鍍?nèi)。同時(shí)設(shè)置腹板下彎束，以有效抵抗主拉應(yīng)力及斜裂縫出現(xiàn)，而且能減小縱向預(yù)應(yīng)力作用的盲區(qū)。

該橋箱梁預(yù)應(yīng)力布置體系分縱向、橫向及豎向分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

縱向預(yù)應(yīng)力束分為懸臂束和合龍束。懸臂束包括頂板束、腹板下彎束。合龍束包括邊、中跨頂板束、腹板上彎束、底板束。其中懸臂束中的頂板束采用19-φs15.2鋼絞線，腹板下彎束采用17-φs15.2鋼絞線，兩端下彎至腹板中部進(jìn)行錨固；邊跨合龍束中的腹板束采用15-φs15.2鋼絞線，一端上彎至腹板中部進(jìn)行錨固，一端上彎至腹板頂部進(jìn)行錨固，底板束采用15-φs15.2鋼絞線，頂板束采用19-φs15.2鋼絞線；中跨合龍束中的腹板束采用17-φs15.2鋼絞線，兩端上彎至腹板頂部進(jìn)行錨固，底板束采用17-φs15.2鋼絞線，頂板束采用19-φs15.2鋼絞線?？v向鋼束均采用群錨體系，其立面布置如圖4所示。

圖4 鋼束布置示意圖

頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束平行于箱梁頂面設(shè)置，采用3-φs15.2鋼絞線，單端交錯(cuò)進(jìn)行張拉，采用扁錨體系。

豎向預(yù)應(yīng)力束布置在箱梁腹板內(nèi)。在早期橋梁設(shè)計(jì)中，常采用精軋螺紋鋼作為腹板豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋，較普遍地存在施工精度較難控制，預(yù)應(yīng)力容易失效等問題。因此，該橋豎向預(yù)應(yīng)力束選用3-φs15.2鋼絞線，同時(shí)采用新型的二次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力短索錨固體系[3]，以提高豎向預(yù)應(yīng)力的有效性。

3 結(jié)構(gòu)分析

該橋采用有限元分析軟件M ID AS/C I V I L 2015建立平面桿系模型對(duì)上部主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱向靜力計(jì)算。主梁采用梁?jiǎn)卧M。根據(jù)支座布置約束對(duì)應(yīng)方向位移。全橋共85個(gè)節(jié)點(diǎn)，76個(gè)單元。主要施工步驟：掛籃懸臂施工→邊跨合龍→附屬設(shè)施施工→10年收縮及徐變。縱向計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 縱向計(jì)算模型

3.1 作用及設(shè)計(jì)參數(shù)

作用的計(jì)算按設(shè)計(jì)規(guī)范[4][5]規(guī)定執(zhí)行。

永久作用。主梁自重（一期恒載）；人行道板及欄桿、橋面現(xiàn)澆層及瀝青鋪裝層、過橋管線（二期恒載）；基礎(chǔ)變位沉降；混凝土收縮及徐變；預(yù)加力。

可變作用。汽車荷載：城-A級(jí)，按單向三車道計(jì)算；人群荷載：3.5 k P a；還包括溫度作用、風(fēng)荷載。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)。塑料波紋管孔道摩阻系數(shù)μ=0.15，孔道偏差系數(shù)k=0.0015；單端錨具變形及鋼束回縮值取6 mm。

3.2 分析結(jié)果

3.2.1 正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)混凝土橋規(guī)[6]第5.1.5條規(guī)定，對(duì)構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，要求滿足下式要求：

即要求考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)后的抗彎強(qiáng)度效應(yīng)值不大于抗力計(jì)算值。承載能力極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載力包絡(luò)圖見圖6所示。

圖6 正截面抗彎承載力包絡(luò)圖

計(jì)算結(jié)果見表1所列。

表1 正截面抗彎驗(yàn)算結(jié)果一覽表

從以上結(jié)果可知，作用效應(yīng)小于抗力值，且有一定的富余量，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 正截面抗裂性驗(yàn)算

該橋按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)混凝土橋規(guī)[6]第6.3.1條規(guī)定進(jìn)行正截面抗裂驗(yàn)算。要求滿足在作用（或荷載）短期效應(yīng)組合下：

計(jì)算結(jié)果如表2所列。

表2 正截面抗裂分析結(jié)果一覽表

最小壓應(yīng)力在中支點(diǎn)附近上緣為0.4M P a；跨中下緣為1.1 MPa；邊跨現(xiàn)澆段附近上緣為0.5 MPa；滿足規(guī)范要求。

3.2.3 斜截面抗裂性驗(yàn)算

根據(jù)混凝土橋規(guī)[6]第6.3.1條規(guī)定對(duì)全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件斜截面主拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。要求滿足在作用（或荷載）短期效應(yīng)組合下：

計(jì)算結(jié)果顯示最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在中支點(diǎn)附近，為0.8 MPa＜1.096 MPa。滿足規(guī)范要求。

3.3 成橋狀態(tài)分析

橋梁竣工時(shí)，梁體上、下緣應(yīng)力狀態(tài)見圖7所示。

圖7 成橋狀態(tài)主梁上、下緣應(yīng)力曲線圖

從圖7可知，竣工時(shí)，主梁梁體全截面均處于受壓狀態(tài)，梁體支點(diǎn)截面下緣壓應(yīng)力小于上緣壓應(yīng)力，跨中截面上緣壓應(yīng)力小于下緣壓應(yīng)力，梁體應(yīng)力狀態(tài)有利于抑制長(zhǎng)期下?lián)?，該橋的成橋狀態(tài)為合理成橋狀態(tài)[1]。

4 結(jié)語(yǔ)

大跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋具有清晰的傳力途徑及可靠的平衡機(jī)制，造價(jià)相對(duì)低廉，施工快捷，運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用低，適應(yīng)性好，是50～200 m跨徑內(nèi)最適宜的橋型。

本文從截面形式選取及主要尺寸的擬定、預(yù)應(yīng)力布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算及成橋狀態(tài)分析等要點(diǎn)對(duì)湖南某橋?qū)嵗O(shè)計(jì)進(jìn)行了研究總結(jié)，可為以后該類橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。對(duì)于該類橋梁梁體開裂和變形的耦合效應(yīng)及如何從設(shè)計(jì)角度采取相應(yīng)的措施進(jìn)行抑制還需作進(jìn)一步的深入研究。

[1]劉釗.橋梁概念設(shè)計(jì)與分析理論（上冊(cè)）[M].北京:人民交通出版社，2010.

[2]呂志濤，潘鉆峰.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題[J].土木工程學(xué)報(bào).2010，43（1）：70-76.

[3]DB 43/T801-2013，次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力短索錨固體系設(shè)計(jì)施工和驗(yàn)收規(guī)范[S].

[4]CJJ 11-2011，城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[6]JTG D62－2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

U442.5

B

1009-7716（2017）06-0102-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.029

2017-03-06

劉文明（1983-），男，貴州畢節(jié)人，工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。