預(yù)應(yīng)力連續(xù)彎箱梁橋的設(shè)計(jì)與分析

鄧 濤

(長(zhǎng)沙縣農(nóng)村公路管理站，湖南長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)公路和城市交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求也逐年增加，受地形影響的山區(qū)高速公路;受線形、現(xiàn)有城區(qū)構(gòu)造物影響的城區(qū)高架路、立體式交叉等等工程建設(shè)項(xiàng)目也越來(lái)越多。曲線梁橋相比于直線橋來(lái)說(shuō)，對(duì)地形、地貌、現(xiàn)有構(gòu)造物以及建設(shè)空間的適應(yīng)性較強(qiáng)，能滿足復(fù)雜的建設(shè)條件下線形的需求，同時(shí)，曲線梁橋還具有弧線優(yōu)美、行車平順、外觀流暢明快、意境生動(dòng)等美學(xué)價(jià)值，因此，在現(xiàn)有許多工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

曲線梁橋雖具有以上優(yōu)點(diǎn)，但由于這種橋本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及建設(shè)初期經(jīng)驗(yàn)的缺乏，造成已建成通車的部分曲線橋梁發(fā)生了許多病害，如:內(nèi)側(cè)支座脫空;梁端向彎道外側(cè)“爬移”;伸縮縫變形不均;梁體水平向變位使支座上下鋼板錯(cuò)位;局部裂縫超過(guò)允許值等等。

本文通過(guò)對(duì)廣東省廣州東沙至新聯(lián)高速公路新聯(lián)互通D匝道橋的一段曲線梁橋的計(jì)算和設(shè)計(jì)過(guò)程，介紹了一些彎梁橋設(shè)計(jì)中常用的改善彎梁橋結(jié)構(gòu)受力的方案，并驗(yàn)證了這些解決方案在彎箱梁橋設(shè)計(jì)應(yīng)用中的有效性。

1 項(xiàng)目概況

新聯(lián)互通式立體交叉是廣州東沙至新聯(lián)高速公路第S16標(biāo)段中的項(xiàng)目，含A，B，C，D匝道橋及上跨主線橋，本文對(duì)平面半徑最小的D匝道橋進(jìn)行計(jì)算分析。該橋?yàn)?1 m+36 m+21 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁。橋面寬度為10.5 m，單箱單室，平面位于R=145 m圓曲線上，橋面橫坡為6%;橋面縱坡為R=1 600 m的凸曲線上。設(shè)計(jì)荷載:公路—Ⅰ級(jí)，抗震等級(jí)按7度設(shè)防。

2 上部結(jié)構(gòu)

新聯(lián)互通D匝道箱梁采用C50，橋梁位于R=145 m圓曲線上。橋面布置:0.5 m(防撞欄桿)+9.5 m(行車道)+0.5 m(防撞欄桿)，總寬10.5 m。箱梁為單箱單室(見(jiàn)圖1)，箱梁頂板為28 cm，底板為26 cm，中心位置梁高2 m，腹板寬為55 cm，橋面橫坡通過(guò)調(diào)整腹板高度來(lái)完成。橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土。下部橋墩采用方柱墩配承臺(tái)及樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用雙柱式臺(tái)配樁基礎(chǔ)。各墩臺(tái)支座均為雙支座，其中墩柱處支座間距為2.5 m，橋臺(tái)處支座間距為4.5 m，墩柱偏心20 cm。

3 計(jì)算模型

本橋的上部結(jié)構(gòu)計(jì)算采用《橋梁博士》V3.0程序的梁格法模塊進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)20.92 m+36 m+20.92 m曲線連續(xù)箱梁，用空間梁格法進(jìn)行有限元模擬。按照梁格網(wǎng)格的劃分原則，縱梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐?共52 個(gè)單元，1.42 m+50 ×1.5 m+1.42 m)，2 根縱梁，橫向間距4.95 m?？v梁?jiǎn)卧幪?hào)1～104:縱梁1(1～52)、縱梁2(53～104)。橫梁:53根橫梁，縱向間距(1.42 m+50×1.5 m+1.42 m);橫梁?jiǎn)卧幪?hào)105 ～165。

梁格劃分如圖2，圖3所示。

4 施工過(guò)程及預(yù)應(yīng)力

箱梁施工采用分段澆筑。每段箱梁順橋向一次澆筑完畢，沿梁高可分兩至三次澆筑，先底板及腹板根部，再腹板和頂板及翼緣板，但墩頂橫梁應(yīng)一次澆筑。箱梁接段之間接縫及每段箱梁分層澆筑縫都應(yīng)按施工縫處理。所有預(yù)應(yīng)力束張拉都需在支架上進(jìn)行，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%后方可張拉，張拉需上下左右均勻?qū)ΨQ進(jìn)行，張拉完后馬上對(duì)孔道進(jìn)行灌漿。該段梁全部預(yù)應(yīng)力張拉完成后方可拆卸支架。

縱向預(yù)應(yīng)力束在逐孔設(shè)置支架現(xiàn)澆時(shí)預(yù)埋并張拉，頂板在腹板處采用12φs15.24 mm鋼絞線，底板在腹板處采用12φs15.24 mm鋼絞線，通束用連接器連長(zhǎng)，短索采用5φs15.24 mm鋼絞線，箱梁無(wú)豎向預(yù)應(yīng)力。鋼絞線控制應(yīng)力0.75fpk。

5 針對(duì)彎箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取的措施

1)考慮到內(nèi)側(cè)腹板較低，外側(cè)腹板較高。同時(shí)橋梁運(yùn)行時(shí)，主梁內(nèi)側(cè)將有翹曲趨勢(shì)。因此，本次設(shè)計(jì)考慮調(diào)整內(nèi)外側(cè)腹板預(yù)應(yīng)力鋼束的重心位置。將內(nèi)側(cè)腹板預(yù)應(yīng)力鋼束重心位置豎向上調(diào)，經(jīng)過(guò)多次試算，兩側(cè)重心高差為11 cm。曲線梁內(nèi)外側(cè)腹板形成反向扭矩，構(gòu)成預(yù)應(yīng)力應(yīng)力的預(yù)偏心，以求在配筋設(shè)計(jì)方面盡量抵消結(jié)構(gòu)的扭矩效應(yīng)。

2)將原設(shè)計(jì)獨(dú)柱單支座改為獨(dú)柱雙支座，兩支座間距為3.5 m。雙支座形成抗扭型支撐，將上部結(jié)構(gòu)內(nèi)外荷載引起的扭矩向下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，減小曲線梁梁體受扭對(duì)上下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不良影響。

3)由于曲線梁存在較大扭矩，通常存在外梁超載，內(nèi)梁卸載，造成內(nèi)外側(cè)支點(diǎn)反力相差很大，當(dāng)活載偏載比較嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生內(nèi)側(cè)支座脫空的情況。對(duì)于這種情況，可以考慮調(diào)整支座的中心的偏心值，改善主梁受力。本橋?qū)⑾虏拷Y(jié)構(gòu)支座中心線沿彎梁橫梁方向向外側(cè)平移20 cm。

6 計(jì)算結(jié)果

按照以上三點(diǎn)改善方案計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦?

1)承載能力階段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，承載力極限狀態(tài)見(jiàn)圖4。

2)使用階段正應(yīng)力組合分析結(jié)果如表2所示。

3)使用階段主應(yīng)力分析:本橋在短期效應(yīng)組合作用下，內(nèi)梁最大主拉應(yīng)力為－0.92 MPa，外梁最大主拉應(yīng)力為－0.84 MPa。

表1 承載力極限狀態(tài)橋梁內(nèi)力與抗力 kN·m

4)支撐反力結(jié)果:箱梁墩臺(tái)處支撐處均往曲線外側(cè)設(shè)置20 cm偏心，橋臺(tái)處支座內(nèi)外側(cè)反力分別為1 820 kN和1 630 kN，橋墩處支座內(nèi)外側(cè)反力為5 730 kN和5 050 kN(見(jiàn)圖5)。

本橋通過(guò)調(diào)整箱梁內(nèi)外側(cè)腹板預(yù)應(yīng)力重心位置、改單支座為雙支座、修改支座中心與橋梁中心線之間偏心距離等等措施，所得以上計(jì)算結(jié)果，內(nèi)外梁的內(nèi)力，應(yīng)力，支撐反力結(jié)果相差不大，證明這幾項(xiàng)調(diào)整是有效而且必要的。

7 結(jié)語(yǔ)

曲線梁橋由于本身結(jié)構(gòu)受力的特殊性，較同等跨徑的直線梁橋要復(fù)雜，主要是因?yàn)橹髁号c受力支撐無(wú)法與結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)位于一條直線上，曲線梁的受力不可避免地存在“彎—扭”耦合作用。因此要在設(shè)計(jì)和計(jì)算中引起足夠的重視。

本文介紹了東新路新聯(lián)互通橋設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中采取的一些有效措施，并驗(yàn)證了其有效性，可以作為同類橋梁設(shè)計(jì)的參考。

［1］姚玲森.曲線梁［M］.北京:人民交通出版社，1989.

［2］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1988.

［3］邵容光.混凝土彎梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1996.

［4］孫廣華.曲線梁橋計(jì)算［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［5］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］.