安慶晴嵐路預(yù)應(yīng)力混凝土門式剛構(gòu)橋設(shè)計

王 驊，蘆可琪

（浙江城建設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310005）

0 引言

門式剛構(gòu)橋，因其腿和梁垂直相交呈門架形，而簡稱門架橋。腿所受的彎矩將隨腿和梁的剛度比率的提高而增大，用鋼或鋼筋混凝土制造的門架橋,多用于跨線橋。

剛構(gòu)橋按結(jié)構(gòu)形式分類可分為門式剛構(gòu)橋、斜腿剛構(gòu)橋和T形剛構(gòu)橋[1]；按分跨不同可分為單跨門構(gòu)、雙懸臂單跨門構(gòu)、多跨門構(gòu)和三跨兩腿門構(gòu)橋。

單跨門構(gòu)適用于跨越運河及其他小河流的單跨橋梁，無需設(shè)置水中墩，它與同等跨徑的拱橋相比，具有較大的通航凈空；此外還適用于跨線橋。三跨兩腿門構(gòu)橋，在兩端設(shè)有橋臺，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)建造時，跨越能力可達(dá)100多米。但由于門式剛構(gòu)結(jié)構(gòu)溫度附加應(yīng)力比普通結(jié)構(gòu)大得多，通常情況下門式剛構(gòu)結(jié)構(gòu)不宜采用較大的跨徑。目前國內(nèi)已建成幾座中等跨徑的門式剛構(gòu)橋梁，最大跨徑為65 m。

1 工程概況

1.1 橋梁工程總體設(shè)計

為了貫徹安慶市委、市政府提出的“建設(shè)現(xiàn)代化雙百城市”的宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)，發(fā)揮安慶特有的豐富的自然和人文景觀優(yōu)勢，突出安慶依山面水、帶狀組團(tuán)城市空間構(gòu)架——“兩方云山兩面江”、“半是山城半水城”的城市景觀格局，突顯近現(xiàn)代歷史文化，保護(hù)好歷史文化遺存，弘揚獨特的地域文化，落實安慶市城市總體規(guī)劃（2003～2020），對新河進(jìn)行環(huán)境綜合整治，總投資約10億。本次橋梁工程隸屬于安慶市新河環(huán)境整治工程，所有的橋梁必須與新河景觀設(shè)計理念相匹配，一橋一景。

本次新河整個景觀帶整體分為4區(qū)，由西向東依次為濕地區(qū)、時尚區(qū)、活力區(qū)、休閑區(qū)，反映出由“自然—文明—高潮—回歸自然”的過程，由此新河的橋梁總體布置成為“一核·兩面·城市畫卷”的格局（見圖1）。

結(jié)合地理特色、人文、歷史的同時依據(jù)景觀的主題分區(qū)，將各種不同橋型融入其中，展現(xiàn)安慶的特點特色，總體橋梁布置如圖2。

其中4號橋即晴嵐路橋，剛勁卻又飄逸的主梁，渲染成紅色，酷似紅色的飄帶，剛?cè)岵?jì)，取意于黃梅戲戲服上的飄帶，將其取名為“紅舞宜城”。

1.2 晴嵐路橋型設(shè)計介紹

1.2.1 橋梁主題立意

此橋位于景觀分區(qū)中的“時尚區(qū)”，是橋梁建筑總體立意兩面中的西面，展現(xiàn)“自然、人文歷史”主題。黃梅戲是起源于安慶的中國傳統(tǒng)戲劇，如今，紅色時尚，戲曲時尚，為時尚的定義拓展了更加寬廣的空間和深厚的內(nèi)涵，民族的也是世界的，傳統(tǒng)的也是時尚的。因此，該橋采用輕盈飄逸、結(jié)構(gòu)新穎的門式剛構(gòu)橋型一跨過河，以紅色進(jìn)行渲染，將主梁營造出黃梅戲舞臺上那根飄舞的紅飄帶，該立意與黃梅戲的標(biāo)志有著異曲同工之妙；在橋梁兩端采用花崗巖干掛浮雕，浮雕圖案可采用黃梅戲經(jīng)典劇照《天仙配》、《夫妻觀燈》、《藍(lán)橋會》等。

此橋體現(xiàn)了歷史與自然的融合，傳統(tǒng)與時尚的承接，與景觀節(jié)點藍(lán)林相會遙相呼應(yīng)，向游人展現(xiàn)安慶深厚的文化底蘊，講述安慶人在繼承和發(fā)揚傳統(tǒng)文化的同時發(fā)生的那一個個與浪漫有關(guān)的時尚故事。

1.2.2 橋型設(shè)計

本次設(shè)計的門式剛構(gòu)橋采用單跨62 m，橋長73 m。主梁采用變截面的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁，跨中梁高1.8 m，梁底曲線采用二次拋物線，形成優(yōu)美的弧線，一跨過河。與傳統(tǒng)剛構(gòu)橋的不同之處在于，它不在水中設(shè)橋墩，將下部結(jié)構(gòu)減少到只有兩個橋臺，這樣的設(shè)計使其體現(xiàn)了輕盈飄逸的特點（如圖3）。正如安慶傳統(tǒng)文化——黃梅戲舞臺上那根飄舞的紅帶，簡潔而不失韻味，典雅而又有詩意，也正符合了該區(qū)塊建筑形式的規(guī)劃特色——自然與人文歷史。

圖1 橋梁整體立意分析圖（一）

圖2 橋梁整體立意分析圖（二）

圖3 晴嵐路橋效果圖

1.2.3 建筑設(shè)計

主梁采用紅色外墻防水涂料渲染，欄桿底座外側(cè)采用紅色仿古磚鑲邊。橋梁兩端的兩側(cè)門式剛架表面采用方形花崗巖干掛浮雕，全橋共4面，浮雕圖案采用黃梅戲經(jīng)典劇照陽刻。橋梁欄桿采用簡潔，淺灰色調(diào)，可塑性強(qiáng)的仿石欄桿，一方面方便在欄板上雕刻各種戲曲文化圖案；另一方面，淺色調(diào)且不厚重的欄桿可突出主梁、浮雕的主題風(fēng)格，盡量減少欄桿對橋梁建筑的整體風(fēng)格的影響。

1.3 橋型布置

上部結(jié)構(gòu)：橫斷面為0.25 m（欄桿）+4.5 m（人行道）+8.0 m（行車道）+8.0 m（行車道）+4.5 m（人行道）+0.25 m（欄桿）=25.5 m，梁體采用單箱多室截面，梁底曲線為圓曲線，梁頂各變坡點處均設(shè)圓形豎曲線。橋面縱坡通過箱梁頂面縱坡形成。

箱梁跨中高度1.8 m，端部高度3 m，底寬22.9 m，頂寬25.5 m，兩邊挑臂各1.3 m。為增加梁部板體的抗扭剛度，每隔5.2 m設(shè)一道橫隔板。

豎墻及斜墻：采用V字形預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土矩形截面，由豎墻及斜墻組成，采用壁厚0.6 m的薄壁實體結(jié)構(gòu)，豎墻與斜墻間由兩道寬0.6 m的實體墻連接。

基礎(chǔ)：橋梁設(shè)三排樁的群樁基礎(chǔ)，采用φ120鉆孔灌注樁。

預(yù)應(yīng)力體系：梁體及斜墻按A類預(yù)應(yīng)力設(shè)計。梁體預(yù)應(yīng)力鋼束分別采用 17φ15.2、13φ15.2、9φ15.2高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。剛構(gòu)負(fù)彎矩區(qū)頂面設(shè)置13φ15.2鋼束，腹板設(shè)17φ15.2通長彎起鋼束，梁端區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置9φ15.2鋼束。

1.4 主要建筑材料

（1）混凝土：斜墻、梁體采用C50混凝土;承臺采用C30混凝土;橋面鋪裝采用瀝青混凝土;樁采用C25水下混凝土。

（2）預(yù)應(yīng)力鋼絞線：采用符合GB/T 5224－2003標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，彈性模量 Ep=1.95×105MPa，松弛率為3.5%，鋼絞線規(guī)格為φ15.20 mm。

2 結(jié)構(gòu)計算與結(jié)果分析

2.1 模型建立

本次設(shè)計模型計算跨徑62 m，主梁跨中截面高度1.8 m，端部截面高度3 m。參考公路門式剛構(gòu)橋設(shè)計資料，一般情況下，跨中梁高與主梁跨度的比值可取1/30～1/35，該橋設(shè)計為1/34.444，跨中梁高在合適范圍內(nèi)；而根部梁高與跨中梁高之比一般取1.2～2.5，該設(shè)計為1.667，說明根部梁高設(shè)計也較合適[2]?；钶d按照J(rèn)TG B01-2003規(guī)范取車道荷載及人群荷載；系統(tǒng)溫度按照升溫25℃，降溫15℃取值；溫度梯度按照J(rèn)TG D60-2004規(guī)范考慮升溫梯度及降溫梯度[3-4]。

支座采用彈性支座，根據(jù)群樁基礎(chǔ)的分布情況及現(xiàn)場的地址條件得出：順橋向剛度為1 234 567 N/mm、豎向剛度33 333 333 N/mm、轉(zhuǎn)角剛度 46 000 000 kN·m/[rad]。

張拉控制應(yīng)力σcon=0.75 fpk=1 395 MPa，9φ15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力為1 757.7 kN，用外徑為80mm的波紋管成孔；13φ15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力為2 538.9 kN，用外徑為90 mm的波紋管成孔；17φ15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力為3 320.1 kN，用外徑為90 mm的波紋管成孔；采用YCW150B型千斤頂張拉。

門式剛構(gòu)橋為超靜定結(jié)構(gòu)，而橋臺的不同構(gòu)造（如橋臺的高度、厚度、斜墻與豎墻的間距及斜交角），對全橋的內(nèi)力分配起著較大的影響，即橋臺所受的彎矩將隨橋臺和梁的剛度比率的提高而增大。橋臺的高度、斜墻與豎墻的間距及斜交角往往受到橋位和橋梁標(biāo)高等因素的控制，常常不能隨意調(diào)整，因此在本次設(shè)計過程中，根據(jù)斜墻與豎墻厚度的不同，提出了兩個不同的方案，并分別采用Midas/civil軟件建立模型，進(jìn)行計算，全橋劃分284個梁單元。

（1）模型一：橋臺斜墻與豎墻取60 cm（見圖4）；（2）模型二：橋臺斜墻與豎墻取100 cm。

2.2 模型一計算結(jié)果

模型一在彈性階段荷載組合下，上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖如圖5、圖6。

從圖5中可以看出，剛構(gòu)橋上緣應(yīng)力最不利點出現(xiàn)在單元128左截面、單元229右截面（該截面既出現(xiàn)在負(fù)彎矩最大值處，又是實心段截面與箱型截面的分界點）、跨中單元截面。

從圖6中可以看出，剛構(gòu)橋下緣應(yīng)力最不利點出現(xiàn)在單元135（梁端部鋼束結(jié)束點）、跨中截面以及橋臺斜墻、豎墻的兩端。

圖4 模型立面圖

圖5 上緣應(yīng)力圖包絡(luò)圖

圖6 下緣應(yīng)力圖包絡(luò)圖

2.3 模型一與模型二計算結(jié)果比較

兩個模型的不同點在于橋臺斜墻與豎墻厚度的不同，也就說明模型二橋臺的剛度要大于模型一的橋臺，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論，模型二的橋臺必然要比模型一的橋臺分擔(dān)更多的內(nèi)力，因此作者在建立橋臺模型時根據(jù)初次計算結(jié)果調(diào)整了斜墻鋼束的配筋量，模型二斜墻采用12φ15.2和13φ15.2的鋼束，而模型一橋臺斜墻采用9φ15.2和12φ15.2的鋼束（兩個模型鋼束的根數(shù)相同）。選取了梁的端部反彎點、1/4跨、跨中截面及斜墻和豎墻兩端的最不利應(yīng)力，計算結(jié)果匯于表1。

表1 應(yīng)力匯總表

2.4 結(jié)果分析

從表1中可以看出，橋臺剛度變化所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配變化主要體現(xiàn)在上部梁體的跨中單元以及橋臺斜墻、豎墻的兩端，且各有利弊。

（1）加大橋臺截面的優(yōu)點

橋臺剛度變大后對上部梁體的跨中截面應(yīng)力是有利的，上緣壓應(yīng)力由模型一-11.9 MPa減小到模型二的-11.7 MPa；下緣壓應(yīng)力由模型一-1.3 MPa增加到模型二的-1.4 MPa。與此同時，隨著截面的加大，斜墻下緣壓應(yīng)力最大值也由-10.2 MPa減小到模型二的-7.7 MPa。

（2）加大橋臺截面的弊端

顯然，橋臺剛度的提高，增加了橋臺自身的附加內(nèi)力，再增加鋼束數(shù)量的同時，上緣壓應(yīng)力卻平均下降2 MPa。

3 結(jié)語

從對剛構(gòu)橋特性的了解，我們認(rèn)識到門式剛構(gòu)橋的構(gòu)思是利用橋臺與上部結(jié)構(gòu)的固接構(gòu)造，使跨中彎矩減小，同時在橋臺與梁結(jié)合處產(chǎn)生彎矩與推力，從而達(dá)到提高單跨跨徑的目的。通過建模計算、比較分析后，我們又注意到橋臺剛度的變化直接影響到整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布問題。從本次設(shè)計情況看，適當(dāng)增加橋臺截面有利于減小上部梁體跨中彎矩，但效果并不明顯，卻付出了相對更高的經(jīng)濟(jì)代價，在原本能夠滿足設(shè)計要求的情況下，對實際工程項目來說是不太合理的，因此在本次設(shè)計中，采用斜墻壁厚60 cm的方案。

[1]林元培.橋梁設(shè)計工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[3]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[4]邵旭東，程翔云，李立峰.橋梁設(shè)計與計算[M].北京：人民交通出版社，2007.