疏港高速春曉高架橋35 m整孔預(yù)制箱梁設(shè)計方案探討

何 駿

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司,浙江 杭州 310006）

0 引言

整孔預(yù)制箱梁結(jié)構(gòu)由于質(zhì)量可控、施工效率高、結(jié)構(gòu)整體性和耐久性好、全壽命周期成本低、上部標準化程度高、施工快捷等優(yōu)點，近年來在公路高架橋中獲得了廣泛使用。整孔預(yù)制箱梁基本均采用梁上運架梁工藝，由于梁體自重較大，單片梁自重達到1 000 t以上，對設(shè)備及結(jié)構(gòu)上下部要求較高，結(jié)構(gòu)跨徑及結(jié)構(gòu)尺寸對造價影響顯著。文章以象山灣疏港高速春曉高架橋為背景，從設(shè)計方案角度研究適宜的箱梁結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟跨徑及結(jié)構(gòu)體系。

1 工程背景

象山灣疏港高速春曉高架橋位于浙江省寧波市梅山保稅區(qū)春曉工業(yè)園區(qū)境內(nèi)，橋位平行沿海中線布設(shè)，橋梁起止里程為K0+973~K8+552，橋梁全長約7 479 m。橋梁采用雙向六車道高速公路標準，設(shè)計速度100 km/h，橋梁總寬2×16.25 m，標準段橋面橫坡2%。

橋址位于海積平原區(qū)，地勢較為平坦，臨近沿海中線。表部分布有填土，結(jié)構(gòu)松散，厚0.7~3.5 m不等；下為海積的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色，流塑狀，厚3.2~4.8 m，工程性質(zhì)差；下部以含黏性土碎石為主，中密、密實狀，厚度3.5~35.1 m不等；下伏基巖為熔結(jié)凝灰?guī)r，巖質(zhì)堅硬。橋址區(qū)縱向基巖面起伏變化大，中風(fēng)化巖埋深13.4~47.0 m不等。

2 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

預(yù)制箱梁斷面形式采用常用的單箱單室斜腹板（圖1），橋梁標準跨徑35 m，調(diào)整跨為27 m、28 m、30 m、33.5 m，標準聯(lián)長5×35 m，箱梁梁高均為2.35 m。箱梁預(yù)制梁寬16.25 m，翼緣懸臂長度3.8 m，懸臂端厚度20 cm，懸臂根部厚度50 cm。箱梁頂板厚度28 cm，在支點附近頂板厚度增加至60 cm；跨中底板厚25 cm，在墩頂附近增加至50 cm；跨中腹板厚50 m，支點附近腹板增加至70 cm、100 cm，標準橫斷面如圖1所示。標準35 m中跨預(yù)制梁段自重為1 021.7 t；邊跨預(yù)制梁段自重為1 022.5 t，全橋合計主梁共391片。

圖1 整孔預(yù)制箱梁標準段橫斷面圖

3 橋型綜合比較

根據(jù)橋位處環(huán)境特點，高架橋方案應(yīng)滿足以下要求：美觀、工期短、標準化，適當兼顧經(jīng)濟性。

整體預(yù)應(yīng)力箱梁造型美觀、造價適中，為城市高架中最常規(guī)選用的結(jié)構(gòu)類型?，F(xiàn)澆方案工藝成熟，但常規(guī)支架現(xiàn)澆或移動模架施工工序復(fù)雜，工期長、安全性不高、施工質(zhì)量不穩(wěn)定，鑒于標準跨數(shù)量大、工期較長、施工質(zhì)量不穩(wěn)定，不利于整個項目的成本控制及質(zhì)量控制，整孔預(yù)制架設(shè)方案近年來被廣泛應(yīng)用，是當前大跨徑公路橋梁的重要實現(xiàn)方式[1-2]，在美觀、經(jīng)濟、標準化等方面具有較好的平衡。節(jié)段拼裝施工要求較高，質(zhì)量控制難度較大，體外預(yù)應(yīng)力的采用使得防腐要求較高，經(jīng)濟性稍差。

目前公路工程常用的預(yù)制梁主要有空心板、T梁、組合箱梁等?？招陌逶囉每鐝捷^小，耐久性較差；組合小箱梁整體受力性能一般，耐久性略差，病害較多；T梁結(jié)構(gòu)受力明確、豎向剛度大，耐久性好，但分片較多，施工較為繁瑣，景觀效果較差。

新型鋼結(jié)構(gòu)美觀大方，施工方便，但整體鋼箱梁造價高、后期維護費用大。鋼混組合梁結(jié)構(gòu)新穎、重量輕、施工方便，但組合梁上部結(jié)構(gòu)費用較高、施工工序相對較多，運營階段維護成本相對較高。

綜合考慮整孔預(yù)制結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆接縫少、集中預(yù)制質(zhì)量易控制，耐久性和使用性能優(yōu)越，景觀效果好，該橋梁最終確定采用整孔預(yù)制箱梁方案。

4 春曉高架橋整孔預(yù)制箱梁標準跨徑比選

根據(jù)項目現(xiàn)場實際及工程經(jīng)驗，高架橋跨徑可取25~40 m?？紤]到該橋全線采用高架，長度較長且穿越城鎮(zhèn)中心區(qū)域，過小的跨徑會墩柱林立，容易造成壓抑感，且不利于橋下被交路的布設(shè)，高架橋采用25 m跨徑偏小，故25 m跨不再比較。該項目對30 m、35 m、40 m跨徑進行經(jīng)濟性比選，樁長按20 m、50 m分別估算數(shù)量，每1 m2估算造價按兩者平均取值，經(jīng)濟跨徑工程量及造價比選如表1所示。

表1 整孔預(yù)制箱梁經(jīng)濟跨徑比選表

由于箱梁造價與材料數(shù)量與運梁數(shù)量相關(guān)，跨徑越小，材料用量較省，但運梁片數(shù)增加施工費用相應(yīng)增加。根據(jù)比選結(jié)果，30 m和35 m箱梁造價相差不大，考慮到35 m梁較高，預(yù)制時箱內(nèi)拆裝模板、張拉預(yù)應(yīng)力等具有更好的操作空間，內(nèi)?？刹捎谜w液壓內(nèi)模，避免人工拆裝費時費力精度差的缺點，故該橋推薦選用35 m為推薦跨徑。

5 結(jié)構(gòu)計算

5.1 結(jié)構(gòu)概述

采用通用有限元軟件Midas Civil建立5×35 m箱梁計算模型（圖2）。

圖2 5×35 m箱梁有限元計算模型

5.2 計算分析相關(guān)數(shù)據(jù)

該設(shè)計所考慮的荷載及荷載組合等均按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[3]及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[4]規(guī)范要求取用，橋梁基礎(chǔ)按不均勻沉降10 mm取用。

5.3 成橋階段計算結(jié)果整理

5.3.1 主梁持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算

主梁正截面抗彎、斜截面抗剪承載能力彎矩包絡(luò)圖如圖3、4所示，正截面抗彎驗算、斜截面抗剪驗算均滿足規(guī)范要求。

圖3 承載能力組合彎矩包絡(luò)圖（kN.m）

5.3.2 主梁持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算

（1）正截面抗裂驗算。該橋按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進行正截面抗裂驗算時，在作用短期效應(yīng)組合和長期效應(yīng)組合下的主梁上、下緣處于受壓狀態(tài)，主梁滿足規(guī)范對于全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的正截面抗裂要求。

（2）斜截面抗裂驗算。該橋按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計算時，在作用短期效應(yīng)組合下主梁除中墩橫梁和邊支點附近的截面存在拉應(yīng)力以外，其余界面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且以上切面主拉應(yīng)力并不大，未超出1 MPa。短期組合主拉應(yīng)力包絡(luò)如圖5所示。

圖5 短期組合主拉應(yīng)力包絡(luò)圖（kPa）

（3）撓度驗算。該橋按作用短期效應(yīng)組合計算的豎向最大撓度值為5.1 mm，考慮撓度長期增長系數(shù)，長期撓度為7.3 mm，規(guī)范允許值為L/600=58 mm，故滿足要求。

圖4 承載能力組合剪力包絡(luò)圖（kN）

5.4 主梁持久狀況應(yīng)力驗算

5.4.1 正截面混凝土壓應(yīng)力驗算

該橋按荷載標準值組合計算的主梁上緣最大壓應(yīng)力為12.7 MPa，出現(xiàn)在墩頂附近；下緣最大壓應(yīng)力為10.9 MPa。上下緣應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

5.4.2 混凝土主壓應(yīng)力驗算

該橋按荷載標準值組合計算的截面最大主壓應(yīng)力為12.5 MPa，出現(xiàn)在墩頂附近，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

箱梁整孔預(yù)制、梁上運梁結(jié)構(gòu)在我國高鐵建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用較多，近年來在公路領(lǐng)域也逐漸被采用，適用于大型箱梁（或混凝土預(yù)制構(gòu)件）批量化、工廠化預(yù)制，工期較短、造價適中，特別適用于對施工環(huán)境、工期要求高，標準跨徑規(guī)模大的工程。類似項目設(shè)計方案時，應(yīng)積極增加整孔預(yù)制箱梁的比選內(nèi)容，為整孔預(yù)制箱梁的應(yīng)用開辟前景。