大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)與案例分析

覃揚(yáng)韜 周群 楊雨晨

摘要：針對大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，文章以某（45+2×80+45） m大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，在統(tǒng)計(jì)國內(nèi)多個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例的基礎(chǔ)上，總結(jié)筆者多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)擬定、結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算等多個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了全面的分析與研究，為此類橋梁設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;連續(xù)剛構(gòu)橋;參數(shù)擬定;結(jié)構(gòu)計(jì)算;設(shè)計(jì)要點(diǎn)

0 引言

剛構(gòu)橋以其良好的結(jié)構(gòu)整體性能、較大的抗扭剛度、較優(yōu)的抗震性能等特性，在300 m跨徑內(nèi)極具優(yōu)勢地成為主流橋梁結(jié)構(gòu)體系之一，尤其在深溝峽谷或通航河道等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[1-4]。

隨著國內(nèi)外大量大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋的建成，業(yè)內(nèi)人士不斷總結(jié)該橋型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，各構(gòu)造尺寸逐漸在業(yè)內(nèi)形成了一定的取值范圍[5-7]，針對剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)師們結(jié)合各橋不同的特點(diǎn)，也總結(jié)了不少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[8-9]。

本文以某（45+2×80+45） m剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?，統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)例，總結(jié)筆者多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中的參數(shù)擬定、預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算等多個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了全面的分析與研究，為此類橋梁設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 工程概況

背景工程位于廣西東南部，跨越潯江的一條支流，該河道全長196 km，流域面積4 000 km2，橋址處河面寬約185 m，水深約6～8 m。河道順直、水流較緩，河岸兩側(cè)地形平坦，下伏基巖為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，場地地質(zhì)穩(wěn)定。

受水位、航道的影響，以服從通航要求為主，主橋跨徑設(shè)定為2×80 m。經(jīng)方案比選和方案審查，根據(jù)橋位處的地形、地貌、通航要求、水文等因素，主橋上部結(jié)構(gòu)采用（45+2×80+45） m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，邊、主跨比為0.562 5?？紤]到城鎮(zhèn)遠(yuǎn)景綜合交通規(guī)劃總體布置與自然條件的協(xié)調(diào)，兩側(cè)引橋各采用（2×30） m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁。主墩設(shè)計(jì)成雙薄壁墩，樁基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)尺寸分析與擬定

剛構(gòu)橋在結(jié)構(gòu)尺寸擬定前需重視設(shè)計(jì)資料的收集，為尺寸擬定提供依據(jù)。結(jié)合橋址處地形地貌，對橋址的平、縱、橫斷面進(jìn)行勘測。調(diào)查橋址處水文和地質(zhì)等資料，通航河道需進(jìn)行必要的行洪分析和通航論證。

2.1 主梁尺寸分析與擬定

據(jù)統(tǒng)計(jì)，剛構(gòu)橋邊主跨比一般在0.52～0.58間，此值過小可能會導(dǎo)致邊墩負(fù)壓力的出現(xiàn)，過大則導(dǎo)致邊跨現(xiàn)澆段過長，使邊跨現(xiàn)澆段施工較為困難，尤其在一些跨峽谷的山區(qū)，在無法搭設(shè)邊跨現(xiàn)澆段支架的情況下，一般會把此值取得相對較小，選擇在邊墩上搭設(shè)懸臂現(xiàn)澆段支架。

為減輕結(jié)構(gòu)自重，方便施工，連續(xù)剛構(gòu)類橋梁一般采用抗扭剛度大的箱形截面，梁底線形通常選用拋物線，從而與彎矩圖相適應(yīng)，當(dāng)橋梁寬度<20 m時(shí)常采用單箱單室截面。

通常情況下：

h支=（1/15～1/20）L

h中=（1/30～1/50）L

為減輕結(jié)構(gòu)自重，往往跨徑越大取值越小。有時(shí)為了增加主梁剛度，改善主梁應(yīng)力狀態(tài)，也可適當(dāng)增加梁高。

頂板順橋向一般為等厚，滿足橫向預(yù)應(yīng)力筋的構(gòu)造要求，腹板厚度一般在（1/4～3/8）L處加厚腹板，總厚度一般約為橋?qū)挼?/10。

單箱室底板寬度一般為橋面寬度的1/2，翼板寬度一般為箱室寬的1/2。在不設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，宜控制在3 m內(nèi)。見圖1。

本橋主梁形式為單箱單室，頂寬12.5 m，底寬6.5 m，翼板寬3.0 m，支點(diǎn)梁高5.1 m，高跨比為1/15.7，跨中梁高2.6 m，高跨比為1/30.8。梁底曲線方程為y=2.6+0.001 876 5x2。

頂板等厚28 cm，腹板厚度由45 cm漸變至60 cm，底板厚度由30 cm按2.0次拋物線漸變漸變至60 cm。

2.2 主墩尺寸分析與擬定

剛構(gòu)橋主墩一般均設(shè)計(jì)得較柔，主要形式有單肢、雙肢實(shí)體式、薄壁空心式等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)跨徑L在80～160 m之間，墩高50 m>H>L/10 m時(shí)，一般采用雙肢薄壁墩，墩中距一般為墩高的1/5～1/4且與主梁高度相近，墩厚一般取墩中距的1/6～1/4，與梁高之比一般為0.15～0.25。也可采用b=1.340 2-0.086 4S+0.081 6 H+0.01這一統(tǒng)計(jì)回歸公式（S-雙肢間距，H-墩高，L-主跨徑）。

本橋主墩設(shè)計(jì)為雙薄壁實(shí)心墩，墩高19.0 m，墩厚1.0 m，肢間距4.0 m，寬6.5 m。

3 結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力分析與設(shè)計(jì)

剛構(gòu)橋跨徑的不同，配束的原則和方法也有些許區(qū)別，但總體上基本一致。一般情況下在運(yùn)營階段，主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，跨中下緣壓應(yīng)力值宜≥（1+L/100）MPa（L-主跨徑，m）。

縱向腹板束錨固點(diǎn)一般設(shè)置在截面豎向高度1/2偏下附近。當(dāng)然，對于梁高較高的截面，一般考慮施工方便，也會相對再靠下一些。頂板束錨固點(diǎn)一般設(shè)置腹板頂承托中。此外，縱向束布置應(yīng)綜合分析考慮與豎向束、橫向束及普通鋼筋間的位置重疊，并考慮管道凈距和錨固間距的合理取值。

豎向預(yù)應(yīng)力束一般采用預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，梁高>6 m時(shí)可采用鋼絞線。為了改善墩與梁固結(jié)處的受力，可把豎向預(yù)應(yīng)力筋伸入至墩身內(nèi)。

橫向預(yù)應(yīng)力束由橫向受力情況和相關(guān)構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)置。

本橋?yàn)槿蝾A(yù)應(yīng)力體系，包括縱向、豎向和橫向三種預(yù)應(yīng)力束。

縱向預(yù)應(yīng)力有F-腹板束、T-頂板懸澆束、B-邊底板合龍束、M-中底板合龍束、D-邊頂板合龍束、Z-中頂板合龍束Y-備用束等，彎曲半徑為800～1 000 cm。

本橋縱向束采用鋼絞線，一共設(shè)計(jì)了有兩種形式12-7s15.2、15-7s15.2。豎向束為JL32精軋螺紋鋼筋束，橫向束為3-7s15.2鋼絞線。

4 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)作用概況

據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[11]，本橋計(jì)算跨徑取75 m，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。主梁為C55混凝土，橋面二期恒載共計(jì)69.45 kN/m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合龍溫度設(shè)定為15 ℃～20 ℃，體系升溫按+25 ℃計(jì)，體系降溫按-15 ℃計(jì)。活載（公路Ⅰ級及人群荷載）及非線性溫度變化按通用規(guī)范規(guī)定進(jìn)行加載。

4.2 結(jié)構(gòu)有限元模型簡介

本橋采用橋梁通用計(jì)算軟件MIDAS Civil 2019進(jìn)行建模，結(jié)構(gòu)單元均采用梁單元模擬，共166個(gè)梁單元，177個(gè)節(jié)點(diǎn)，邊支點(diǎn)與主梁節(jié)點(diǎn)、主墩頂與主梁節(jié)點(diǎn)為彈性連接（剛性）。見圖2。

4.3 主梁分析計(jì)算

按照《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》（G 3362-2018）[12]對主梁進(jìn)行各項(xiàng)計(jì)算，主要分析計(jì)算要點(diǎn)如下。

4.3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

基本組合作用下主梁1/2結(jié)構(gòu)抗彎計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

基本組合作用下主梁1/2結(jié)構(gòu)抗剪計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

分析圖3、圖4可知，荷載基本組合作用下，主梁截面抗力均大于其組合設(shè)計(jì)內(nèi)力，即主梁截面抗彎、抗剪滿足規(guī)范要求。

4.3.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算

頻率組合作用下主梁1/2結(jié)構(gòu)斜截面抗裂計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知，在荷載頻率組合作用下，主梁斜截面最大主拉應(yīng)力為-0.15 MPa，即主梁斜截面抗裂滿足規(guī)范要求。

4.3.3 持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主梁1/2結(jié)構(gòu)斜截面抗壓計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可知，在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合作用下，主梁斜截面混凝土最大主壓應(yīng)力為15.777 MPa，即主梁斜截面抗壓滿足規(guī)范要求。

施工荷載作用下主梁1/2結(jié)構(gòu)斜截面抗壓計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可知，在施工荷載組合作用下，主梁截面在施工階段中的最大壓應(yīng)力為12.781 MPa，最大拉應(yīng)力為0.232 MPa，同時(shí)，預(yù)拉區(qū)配置有配筋率≥0.2%的縱向鋼筋，即施工階段主梁邊緣混凝土法向拉、壓應(yīng)力驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

4.4 主墩分析計(jì)算

按照《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》（G 3362-2018）[12]對主墩進(jìn)行各項(xiàng)計(jì)算，主要計(jì)算要點(diǎn)如表1、表2所示。

分析表1、表2可知，主墩承載力及抗裂設(shè)計(jì)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)參數(shù)擬定、預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算等一直是此類橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文以某（45+2×80+45）m剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?，在統(tǒng)計(jì)國內(nèi)多個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例的基礎(chǔ)上，總結(jié)筆者多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中的參數(shù)擬定、預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算等多個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了全面的分析與研究，基本概括了該類橋梁在設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可為該類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

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作者簡介：覃揚(yáng)韜（1984—），工程師，主要從事道路橋梁工程設(shè)計(jì)工作。