預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王慶元

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

1 工程概況

某特大橋梁工程位于我國(guó)河北省境內(nèi)，其中心樁號(hào)為K64+253.00，橋梁全長(zhǎng)1 890m，共分為13 聯(lián)，橋梁整體呈東西走向，主要分為主橋和引橋兩部分，其中主橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，引橋上部結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后連續(xù)的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，為保證該工程的質(zhì)量，應(yīng)做好本工程預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 選材標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

2.1.1 混凝土選材

（1）選用的混凝土材料中，主橋與引橋的上下部結(jié)構(gòu)均采用高性能混凝土，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，主橋梁體宜采用C60 混凝土，引橋箱梁宜采用C50 混凝土，橋面鋪裝時(shí)采用C50防水混凝土施加防水層，伸縮縫預(yù)留槽口位置采用C50聚丙烯纖維混凝土，主橋與引橋的橋墩、臺(tái)身、系梁等均采用C35混凝土，承臺(tái)、樁基、搭板采用C30 混凝土，主橋的支座墊石宜采用C50混凝土，引橋支座墊石宜采用C40混凝土。

（2）混凝土材料由水泥與骨料混合而成，選用的水泥材料應(yīng)為高品質(zhì)的硅酸鹽水泥，其標(biāo)號(hào)為42.5、52.5、62.5 等，根據(jù)混凝土的等級(jí)確定水泥標(biāo)號(hào)，每跨梁體的混凝土需使用同一標(biāo)號(hào)的水泥，不得混合使用，水泥材料的最大水膠比、膠凝材料最小用量應(yīng)符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）規(guī)范要求；選用的骨料需具有質(zhì)地堅(jiān)硬、孔隙率小、吸水率低、級(jí)配良好、均勻的特點(diǎn)，骨料分為粗集料與細(xì)集料，粗集料宜采用破碎碎石，最大粒徑以不大于25mm，粒徑與保護(hù)層的厚度比值在2/3 以內(nèi)，細(xì)集料宜采用干凈砂料，細(xì)集料的含泥量不宜超過(guò)1%。

2.1.2 鋼筋選材

（1）鋼筋直徑為12mm 及以上，要求采用HRB400鋼筋，施工圖紙中標(biāo)注為3級(jí)鋼筋符號(hào)，鋼筋的主要性能應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2—2018）的規(guī)定；直徑為12mm 以下的，要求采用HRB300 鋼筋，施工圖紙中標(biāo)注為1 級(jí)鋼筋符號(hào)，鋼筋的主要性能應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋混凝土用鋼第1 部分：熱軋光圓鋼筋》（GB1499.1—2017）的規(guī)定[1]。

（2）預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)為高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860MPa，鋼絞線直徑為S15.2mm，彈性模量為195 000MPa，松弛系數(shù)為Ⅱ級(jí)，鋼絞線的其他性能指標(biāo)滿足國(guó)標(biāo)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224—2014）的要求。

（3）預(yù)應(yīng)力錨具要求滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T 14370），以及交通運(yùn)輸部現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線用錨具、夾具和連接器》（JT/T 329—2010）的要求，選用的預(yù)應(yīng)力管道應(yīng)為高密度聚乙烯塑料管。

2.2 預(yù)應(yīng)力主橋設(shè)計(jì)

2.2.1 上部結(jié)構(gòu)

（1）本工程主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為四跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，其跨徑為90+135+135+90m，箱梁頂板厚度設(shè)計(jì)為0.28m，底板厚度在32～100cm，箱梁根部梁高設(shè)計(jì)為8.5m，跨中梁高設(shè)計(jì)為4m，箱梁高度與厚度采用1.8 次拋物線變化，箱梁上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)為縱向、橫向、豎向三向預(yù)應(yīng)力體系[2]。

（2）箱梁縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)為頂板鋼束、底板鋼束、墩頂下彎鋼束，縱向預(yù)應(yīng)力束采用鋼絞線的直徑為S15.2mm，每個(gè)斷面錨固2～4束；橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)置在箱梁頂板位置，橫向預(yù)應(yīng)力束采用鋼絞線直徑為S15.2mm，鋼束間距為0.5m，橫向預(yù)應(yīng)力的張拉方式為單端張拉，張拉端交錯(cuò)布置，利用扁錨錨固；豎向預(yù)應(yīng)力采用直徑為JL32 的預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，其強(qiáng)度為785MPa，布置位置在箱梁腹板內(nèi)。

2.2.2 下部結(jié)構(gòu)

本工程主橋下部結(jié)構(gòu)中主要采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、薄壁空心墩、承臺(tái)等結(jié)構(gòu)，其中樁基礎(chǔ)的直徑為1.8m，薄壁空心墩尺寸為橫橋向7m，順橋向4m，承臺(tái)尺寸為橫橋向12m，順橋向16.5m，支座采用3 級(jí)設(shè)防摩擦擺減隔震球型支座， 支座的型號(hào)為SFJZ45MN 和SFJZ7MN，其中SFJZ45MN 型號(hào)支座用于中間墩的支撐，SFJZ7MN 型號(hào)支座用于過(guò)渡墩的支撐，伸縮縫結(jié)構(gòu)采用320型號(hào)的梳齒板伸縮縫[3]。

2.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

橋梁的荷載設(shè)計(jì)為公路－I 級(jí)，地震動(dòng)峰值加速度0.1g，橋梁施工過(guò)程中合龍段施工溫度宜在15~20℃，溫度的整體升降升溫不得超過(guò)25℃，降溫不得超過(guò)-30℃，預(yù)應(yīng)力孔道的摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)為0.17，鋼絞線的松弛系數(shù)不得超過(guò)0.3，孔道偏差控制在0.0015，橋梁支座產(chǎn)生的不均勻沉降控制在10~20mm 之間，掛籃施工時(shí)的最大重量不得超過(guò)1 000kN，預(yù)應(yīng)力張拉完成后需要及時(shí)錨固，其錨具的回縮量控制在6mm以內(nèi)[4]。

設(shè)計(jì)過(guò)程中將主橋上部結(jié)構(gòu)離散為234 個(gè)單元，按55 個(gè)施工階段進(jìn)行了全橋施工過(guò)程的模擬，在最不利荷載組合下，箱梁上緣最小應(yīng)力為壓應(yīng)力0.127MPa，箱梁上緣最大應(yīng)力為壓應(yīng)力17.2MPa；箱梁下緣最小應(yīng)力為壓應(yīng)力2.82MPa，箱梁下緣最大應(yīng)力為壓應(yīng)力15.8MPa。

2.2.4 施工流程

主橋預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁施工中，要根據(jù)下列流程施工，在預(yù)應(yīng)力橋梁下部構(gòu)造全部施工完成后，在薄壁空心墩支架上方開始0 號(hào)塊澆筑作業(yè)，待0號(hào)塊澆筑完成后利用掛籃施工的方式澆筑其他節(jié)段，澆筑過(guò)程對(duì)稱澆筑，澆筑完成后張拉各階段的預(yù)應(yīng)力鋼束，直至最大懸臂位置，澆筑完成后根據(jù)先邊跨后中跨的順序開始合龍段作業(yè)，最后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力橋梁的橋面鋪裝施工。

2.2.5 施工注意事項(xiàng)

（1）施工單位開展主橋施工時(shí)選用的掛籃結(jié)構(gòu)應(yīng)輕便合理，使用前需進(jìn)行試壓試驗(yàn)，檢測(cè)掛籃的剛度、強(qiáng)度以及撓度是否滿足使用要求，性能滿足要求的掛籃拼裝完成后應(yīng)開展試壓與靜載試驗(yàn)，明確掛籃的承載力與變形值，為主橋懸臂澆筑施工的安全提供保障，施工采用的掛籃、機(jī)具與模板的總重量不宜超過(guò)1 000kN，施工單位開展施工前需通過(guò)精確的計(jì)算明確掛籃施工中的實(shí)際參數(shù)，不得超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

（2）掛籃安裝后主橋應(yīng)從1＃塊至15＃對(duì)稱平衡逐塊澆筑，為避免澆筑過(guò)程中不平衡的自重影響，施工單位要嚴(yán)格控制澆筑段混凝土的超方量，其最大誤差不得超過(guò)梁體自重的3%，對(duì)稱段梁體澆筑時(shí)，兩側(cè)混凝土最大的混凝土澆筑重量相差不得超過(guò)梁體自重的30%。此外，為保證梁體的澆筑質(zhì)量，懸臂澆筑中，每個(gè)節(jié)段均需設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，以便于觀測(cè)各階段梁體標(biāo)高的變化情況，每節(jié)梁體澆筑完成后待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%方可張拉預(yù)應(yīng)力，待該階段預(yù)應(yīng)力張拉完成且壓漿驗(yàn)收后，才能開始移動(dòng)掛籃。

（3）主橋梁體全部澆筑完成后應(yīng)按照先邊跨后中跨的順序合龍施工，合龍段施工時(shí)應(yīng)處于當(dāng)日氣溫最低點(diǎn)，施工時(shí)間應(yīng)盡可能地快，邊跨合龍段澆筑時(shí)需設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)支架的變形及沉降情況，從而保證邊跨合龍段懸臂標(biāo)高與軸線的偏差處于最小值，中跨合龍段施工后，不得在其上方堆放施工機(jī)具、重物等，待合龍段達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，開展預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)，張拉完成后開始?jí)簼{封錨完成合龍。

2.3 預(yù)應(yīng)力引橋設(shè)計(jì)

2.3.1 上部結(jié)構(gòu)

本工程引橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主橋不同，引橋的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，其箱梁的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)為A類，結(jié)構(gòu)荷載橫向分配系數(shù)的設(shè)計(jì)采用剛接梁法、梁格法以及剛性橫梁法進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算及分析結(jié)果綜合確定。

2.3.2 下部結(jié)構(gòu)

引橋的下部結(jié)構(gòu)橋墩按照柔性墩設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)形式為柱式墩，橋墩的水平力根據(jù)集成分配法獲取，橋臺(tái)設(shè)計(jì)為柱式臺(tái)、肋式臺(tái)；引橋下部結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)按照控制斷面內(nèi)力承載極限確定，其蓋梁設(shè)計(jì)用剛架完成，再采用杠桿法計(jì)算蓋梁的活載分配系數(shù)，此外，引橋的樁基設(shè)計(jì)參考摩擦樁的方法，樁基的內(nèi)力按照m 法計(jì)算。

2.3.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

引橋施工中的設(shè)計(jì)參數(shù)要求其混凝土重力密度采用26.0kN/m3，彈性模量為3.45×104MPa，引橋預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量為1.95×105MPa，鋼絞線的松弛率為0.035，松弛系數(shù)控制在0.3 以內(nèi)，預(yù)應(yīng)力孔道的摩擦系數(shù)應(yīng)為0.17，偏差系數(shù)為0.001 5，預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后，其錨具的伸縮量與主橋一致，控制在6mm，年平均濕度為55%，支座的不均勻沉降控制在5mm以內(nèi)[5]。

2.3.4 施工注意事項(xiàng)

（1）引橋的箱梁在預(yù)制場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙要求施工，箱梁澆筑前需檢查梁體的預(yù)應(yīng)力孔道位置、鋼筋位置、預(yù)埋件等相關(guān)構(gòu)造，同時(shí)施工單位應(yīng)選擇合適的骨料粒徑與水泥材料，并做好混凝土混合料的配比試驗(yàn)，保證澆筑材料的性能，澆筑時(shí)應(yīng)充分振搗，尤其是梁體局部應(yīng)力大、鋼筋密、早期強(qiáng)度高的位置，澆筑完成后梁體在預(yù)制場(chǎng)的存放周期不宜超過(guò)90d，且梁體跨中位置應(yīng)設(shè)置向下1.9cm 的預(yù)拱度，以避免預(yù)制梁上拱過(guò)大，與橋面現(xiàn)澆層之間產(chǎn)生過(guò)大的收縮差。

（2）預(yù)制梁安裝時(shí)放置在支座上，施工單位應(yīng)設(shè)置臨時(shí)支座并安裝好永久支座，梁體兩側(cè)位置無(wú)須設(shè)置臨時(shí)支座，梁體安裝時(shí)逐孔安裝，安裝后及時(shí)連接橋面板鋼筋及端橫梁鋼筋。接頭鋼筋連接后，澆筑橋面板濕接縫位置的混凝土，濕接縫澆筑前應(yīng)開展鑿毛處并清理鋼筋，然后涂抹同配比的水泥砂漿，濕接縫澆筑時(shí)由跨中向支點(diǎn)澆筑作業(yè)，負(fù)彎矩鋼束張拉壓漿完成，橋面鋪裝完成后可逐步撤除臨時(shí)支座，完成體系轉(zhuǎn)換，采用永久支座實(shí)現(xiàn)對(duì)梁體的支撐。

2.4 橋梁結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)

2.4.1 結(jié)構(gòu)耐久性

（1）在預(yù)應(yīng)力橋梁設(shè)計(jì)中除橋梁材料選取與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)明確橋梁的結(jié)構(gòu)性能，橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性作為保證橋梁使用壽命的重要性能，在設(shè)計(jì)中應(yīng)做好橋梁結(jié)構(gòu)的可控性、持續(xù)性、可維修更換性。此外，由于本工程橋梁位于河北省內(nèi)，冬季外界環(huán)境溫度較低，為提升橋梁的耐久性，要求其結(jié)構(gòu)采用高性能混凝土施工。

（2）由于混凝土碳化會(huì)使鋼筋表層鈍化膜破壞，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)銹蝕，會(huì)降低橋梁的使用壽命，針對(duì)此情況可以適當(dāng)增加保護(hù)層厚度，以增加混凝土可碳化深度，從而延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，保護(hù)層要求應(yīng)滿足《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》（JTG 3362—2018）的要求。

（3）橋梁下部結(jié)構(gòu)高性能混凝土中，其混凝土的最大水灰比不得超過(guò)0.5，最大氯離子含量不得超過(guò)0.15%，最小水泥用量為300kg/m3，最大堿含量不得超過(guò)1.8kg/m3；上部結(jié)構(gòu)高性能混凝土中，其混凝土的最大水灰比不得超過(guò)0.4，最大氯離子含量不得超過(guò)0.06%，最小水泥用量為350kg/m3，最大堿含量不得超過(guò)1.8kg/m3。

2.4.2 支座耐久性

確保橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的同時(shí)，要通過(guò)設(shè)計(jì)要求增加支座的耐久性。首先要保證支座的干凈整潔，避免出現(xiàn)塵土、積水的堆積影響；其次可以增加支座的支撐高度，預(yù)留放置千斤頂提升設(shè)備的空間，如支座出現(xiàn)問(wèn)題，利用機(jī)械進(jìn)行支撐，方便支座的替換維修；最后更換支座時(shí)應(yīng)分析主梁向上的強(qiáng)制位移作用下的內(nèi)力，以及橋墩及支座下沉對(duì)于主梁受力的不利影響，避免對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損壞[6]。

2.4.3 防腐蝕性

（1）橋梁的防腐蝕性與橋梁的使用安全息息相關(guān)，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3310—2019）的要求，以及水質(zhì)分析成果表SO42-及PH 等指標(biāo)含量確定本工程橋梁的環(huán)境等級(jí)，然后結(jié)合環(huán)境等級(jí)選定施工所用的混凝土強(qiáng)度及其最大水膠比，材料的選定要滿足《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3310—2019） 的要求。

（2）致使橋梁遭受腐蝕的主要因素包括地下水的侵?jǐn)_、地表水中硫酸根離子，鎂離子、氯離子的化學(xué)侵蝕，因此，可以通過(guò)增加橋梁的防水性增加其防腐蝕性能，同時(shí)要對(duì)橋面的排水系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)，不得直接利用橋梁構(gòu)件排水。

3 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持因地制宜的原則，同時(shí)結(jié)合各相關(guān)單位的要求提出橋梁設(shè)計(jì)方案，橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中要合理借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，采取合適的設(shè)計(jì)方法，減少對(duì)施工、使用產(chǎn)生的影響，從而確保橋梁結(jié)構(gòu)的合理性，保證橋梁工程的整體質(zhì)量，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。