淺談小箱梁結(jié)構(gòu)的合理利用

■宋陽運 ■上海千年城市規(guī)劃工程設計股份有限公司，上海市 201108

橋梁結(jié)構(gòu)，特別是隨著近代新技術(shù)、新材料、新工藝(混凝土、預應力、掛籃等)的引入，對橋跨、橋型等發(fā)生了革命性的改變。橋梁結(jié)構(gòu)形式的多樣性是現(xiàn)代科技賦予的時代性;現(xiàn)實橋型的合理選擇利用是人們智力與經(jīng)濟發(fā)展的集中體現(xiàn)。

橋梁工程師在現(xiàn)代的橋梁設計時，就要緊密結(jié)合現(xiàn)場實際情況，深入分析當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展形勢，提出符合技術(shù)先進、安全適用、經(jīng)濟合理、結(jié)構(gòu)美觀的設計方案。以下結(jié)合具體工程項目，闡述小箱梁結(jié)構(gòu)在實際工程中的合理利用。

論述觀點:⑴適合現(xiàn)場建設條件;⑵施工條件的可操作性;⑶結(jié)構(gòu)使用的繼承并創(chuàng)新;⑷類似工程的可推廣性。

筆者在實例中主要承擔上部結(jié)構(gòu)主梁繪制，計算的工作任務，解決了非標準跨徑主梁鋼束布置，橋墩防撞計算及防撞措施設計等結(jié)構(gòu)問題。

1 工程概況

上海市金山區(qū)亭林鎮(zhèn)紫石涇4號橋，需跨越紫石涇，現(xiàn)狀河口寬度約50m，規(guī)劃河口寬50m，該河道通航等級Ⅵ級，通航凈寬為31m，凈高為4.5m，最高通航水位為3.55m;梁底控制標高經(jīng)區(qū)水務局、區(qū)航務所等單位協(xié)調(diào)后采用梁底控制標高≥8.05m。

根據(jù)以上條件并結(jié)合現(xiàn)場情況存在以下幾個主要問題:

⑴現(xiàn)狀河口及規(guī)劃河口均較寬，且為通航河道，若河道中設置橋墩應考慮橋墩防止船舶撞擊對橋梁安全性的影響;

⑵橋梁中跨要求不小于35m;

⑶結(jié)合現(xiàn)場情況及航務部門要求，施工期間不能影響航道船只正常通行，大型施工機械無法進場;

⑷資金投入有限要求橋梁結(jié)構(gòu)選型簡單，易操作，盡量節(jié)約投資;

⑸橋梁梁底控制標高及通航凈高較高，致使橋梁接坡困難，綜合考慮引橋與高填路基的比較選擇使用。

2 主要技術(shù)標準

⑴設計荷載:公路-Ⅱ級，人群荷載3.5kPa;

⑵設計安全等級:一級;

⑶河道要素:現(xiàn)狀河口寬約50m，規(guī)劃河口寬度50m，河道通航等級Ⅵ級，通航凈寬為31m，凈高為4.5m。

3 小箱梁結(jié)構(gòu)利用論述

3.1 結(jié)構(gòu)選型

針對本工程實例存在的主要問題，橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)綜合考慮后:主跨結(jié)構(gòu)采用先簡支后連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)，引橋采用先張法空心板結(jié)構(gòu);橋梁孔跨布置22m+22m+(28+40+28)m+22m+22m，橋梁總長為184m，橋梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋梁立面圖

簡支變連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)針對本工程特點的優(yōu)點:

⑴主梁結(jié)構(gòu)采用工廠預制，質(zhì)量有很好的保障，能與下結(jié)構(gòu)施工平行實施，縮短施工工期。

⑵同跨徑小箱梁結(jié)構(gòu)較T梁結(jié)構(gòu)，梁高較低，在滿足航務要求的同時建筑結(jié)構(gòu)相對較小，較少了臺后接坡的難度和工程投資。

⑶小箱梁結(jié)構(gòu)較現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，單位面積經(jīng)濟性好。

⑷現(xiàn)場施工場地建設條件較差，預制小箱梁結(jié)構(gòu)提高了工程的可操作性。

⑸引橋選擇采用跨度較大的先張法空心板結(jié)構(gòu)，在高填路基與橋梁結(jié)構(gòu)從施工難度、經(jīng)濟性等方面選擇一平衡點合理布置跨徑，從而得到資金合理充分利用的最大化。

⑹本實例中跨簡支變連續(xù)等高小箱梁結(jié)構(gòu)，在繼承既有通用結(jié)構(gòu)的基礎上，創(chuàng)新的縮短了邊跨結(jié)構(gòu)，對整個工程的經(jīng)濟性來說，有很好的優(yōu)化效果。

3.2 小箱梁結(jié)構(gòu)的合理利用

現(xiàn)行橋梁預制結(jié)構(gòu)通用圖均為等跨布置，若按通用圖結(jié)構(gòu)，同時為滿足中跨通航要求，橋梁主跨需布置為3×40m先簡支后連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu);如采用此類通用結(jié)構(gòu)布置一方面造成投資量大，資源浪費，另一方面更有生搬硬套之嫌，不符合現(xiàn)行的橋梁設計原則(技術(shù)先進、安全適用、經(jīng)濟合理)。

本工程實例從結(jié)合實際現(xiàn)場情況及航務、水務部門要求出發(fā)，以安全適用、經(jīng)濟合理為橋梁設計原則，在繼承原通用孔跨3×40m先簡支后連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)基礎上，孔跨布置優(yōu)化調(diào)整為28m+40m+28m，邊跨與中跨跨徑比為0.7，梁高均采用與中跨40m相同一致，即梁高為2.0m。

優(yōu)化后邊、中跨主梁結(jié)構(gòu)通過鋼束布置設計，墩頂負彎矩鋼束調(diào)整，經(jīng)過橋梁博士設計軟件計算后均符合規(guī)范要求。以下列出通用結(jié)構(gòu)鋼束使用量與優(yōu)化后鋼束使用量對比。

從表1—鋼束使用量對比可以得出優(yōu)化后主梁結(jié)構(gòu)鋼束使用量減少1236.3kg，優(yōu)化鋼束量約25%。

表1 鋼束使用量對比

以下列出優(yōu)化后結(jié)構(gòu)分析過程及結(jié)論。

3.2.1 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)分析過程

⑴截面極限承載能力驗算

圖2 承載力包絡圖

計算結(jié)果表明驗算截面的設計彎矩均小于截面極限承載彎矩。滿足設計規(guī)范要求。

⑵使用階段應力驗算

使用階段正截面抗裂驗算

圖3 短期效應組合上下緣應力包絡圖

按A類預應力混凝土構(gòu)件計算要求:在短期效應組合下σst-σpc≤0.7ftk=1.855MPa，計算結(jié)果滿足規(guī)范規(guī)定短期效應組合下正截面抗裂的計算要求。

從上圖4應力分析可知，長期組合下截面上下緣均未出現(xiàn)拉應力，滿足按A類預應力混凝土構(gòu)件計算要求。

圖4 長期效應組合上緣應力包絡圖

使用階段斜截面抗裂驗算

圖5 短期效應組合主拉應力圖

通過以上計算可知，全梁各單元截面最大主拉應力為1.300MPa＜0.7ftk=0.7×2.65=1.855MPa滿足A類預應力混凝土構(gòu)件受力要求。

使用階段正截面混凝土壓應力驗算

圖6 標準組合截面上緣正應力包絡圖

正截面最大壓力通過以上計算可知為14.207MPa＜0.5fck=0.5×32.4=16.2MPa滿足預應力混凝土構(gòu)件受力要求。

使用階段斜截面主壓應力驗算

圖7 截面主壓應力

通過以上計算可知，全梁各單元截面最大主壓應力為14.208MPa＜0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa滿足預應力混凝土構(gòu)件受力要求。

主梁其余內(nèi)容(包括剛度、撓度、預應力鋼束張拉應力等)計算均滿足設計規(guī)范要求，在此不再贅述。

4 主要結(jié)論

結(jié)合本工程實例，關(guān)于小箱梁的實際選型應用主要總結(jié)一下幾點結(jié)論:

⑴建設條件較差，中跨要求較大，一般是通航河道，具有通航凈寬要求的(一般要求中跨＞25m)，建設時又受建設資金影響，現(xiàn)階段在上海郊區(qū)部分涉及航道農(nóng)村橋梁改造項目中，這類情況較普遍的存在;預制小箱梁結(jié)構(gòu)是首選的推薦橋型。

⑵現(xiàn)行通用小箱梁布置為等跨徑布置，在實際應用中往往受河口寬度、地形條件等因素限制，而無法運用;本項目繼承現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎上根據(jù)實際情況適當?shù)卣{(diào)整邊跨跨徑，以符合實際項目的需求;本工程具有破磚引玉之效，其他類似項目可以借鑒使用，集聚事物的一般性和特殊性。

⑶T梁結(jié)構(gòu)與小箱梁結(jié)構(gòu)具有相似地經(jīng)濟性，但其梁高比小箱梁要高，在建筑高度受限或涉及臺后接坡時，一般會摒棄T梁結(jié)構(gòu)這樣的橋型，而選用小箱梁結(jié)構(gòu)。

⑷小箱梁結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭剛度均較大，結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性具有很好的保障，在沒有特殊景觀要求時，此橋型是很好的選擇。

［1］公路橋涵設計通用規(guī)范(JTG D60-2004).人民交通出版社，2004.

［2］橋梁防撞理論和防撞裝置設計.人民交通出版社，2013.

［3］公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范(JTG D63-2007).人民交通出版社，2007.