紅海大橋主橋設(shè)計

廖智明

（泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司深圳設(shè)計分公司，廣東深圳 518000）

1 工程概況

作為東莞市統(tǒng)籌水鄉(xiāng)地區(qū)發(fā)展先期項(xiàng)目，同時亦是石龍鎮(zhèn)2012年二十項(xiàng)重點(diǎn)工程之一，建成后將成為石龍老城區(qū)連接紅海物流園區(qū)的重要通道，也是東莞連接廣州、惠州的北大門，它的建設(shè)將為東莞、惠州兩地的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展起到重要作用。

紅海大橋設(shè)計采用一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計車速60 km/h。主橋整幅設(shè)置，總寬度為22.0 m，雙向四車道，兩側(cè)設(shè)2.5 m寬人行道，該橋跨越處東江北支流為Ⅲ級航道，橋梁軸線方向與河道夾角81°，起點(diǎn)與石龍鎮(zhèn)規(guī)劃中的沿江路平交，終點(diǎn)接紅海區(qū)規(guī)劃路，由于兩端高程限定了縱坡的起坡位置，且根據(jù)廣東省航道局文件，紅海大橋通航孔凈高Hm不小于8 m，通航孔凈寬Bm不小于117.4 m，上底寬b不小于98 m，側(cè)高h(yuǎn)不小于6 m，鑒于以上條件的限制，經(jīng)過詳細(xì)的方案比選后，主橋采用了變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)。

2 總體布置設(shè)計

紅海大橋中心樁號K0+359.258，橋跨組合為(9 m+3×13 m+11 m)+5×25 m+(76 m+128 m+76 m)+20 m+8×25 m，橋梁長687 m。上部結(jié)構(gòu)主橋(76 m+128 m+76 m)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁；主橋橋型布置見圖1。

3 基本尺寸擬定

3.1 主梁斷面的選擇

橋面全寬22 m，對于這種情況，主梁可采用單箱單室，也可采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，見圖2。但由于單室箱梁需采用大噸位縱向預(yù)應(yīng)力束，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為顯著，且單室箱梁的剪力滯效應(yīng)也較為明顯，箱梁的有效寬度存在一定程度的折減。另外，近幾年來，大跨徑單室箱梁橋頂板、腹板開裂現(xiàn)象較為普遍，而且單室較雙室箱梁施工難度大、風(fēng)險高，因此推薦采用單箱雙室斷面。

3.2 主梁結(jié)構(gòu)尺寸

主橋76 m+128 m+76 m為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，采用懸澆施工，按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計。箱梁梁高和底板厚度均按2次拋物線設(shè)計，采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。梁高從跨中（邊跨端部）3.2 m變化到主墩根部7.5 m。兩側(cè)懸臂部分均為3.75 m，懸臂根部厚度為90 cm；底板寬14.5 m，頂板寬22.0 m，厚度30 cm；腹板厚度采用45 cm、60 cm、75 cm三種厚度，10＃塊腹板厚度從75c m變化到60 cm，14＃塊腹板厚度從60 cm變化到45 cm，邊跨現(xiàn)澆段從18＃截面45cm腹板變化到19＃截面腹板厚度60 cm；箱梁底板厚度從30 cm變化到根部100 cm。箱梁橫坡由腹板高度調(diào)整，底板保持水平，頂板橫向從設(shè)計線往外側(cè)設(shè)置2%的橫坡，設(shè)計線1 m范圍內(nèi)橫坡為0%。

3.3 預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置

主橋設(shè)置縱向、橫向和豎向的三向預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用公稱直徑φs15.2 mm低松弛鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。

縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)置了頂板束、底板束和腹板束。除邊跨T17～T18頂板束采用單端張拉外，其余鋼束均采用兩端張拉，鋼束張拉控制應(yīng)力為σcon=0.75 fpk=1 395 MPa(部分鋼束張拉控制應(yīng)力為1 300 MPa)，鋼束伸長量均已扣除10%的初張拉，管道采用塑料波紋管成孔，采用真空灌漿技術(shù)。

圖1 主橋橋型布置圖（單位：cm）

圖2 主梁斷面對比（單位：cm）

圖3 主梁橫斷面構(gòu)造圖（單位：cm）

橫向預(yù)應(yīng)力：橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用φs15.2-3鋼絞線，相鄰兩根鋼束采用交錯張拉錨固，鋼束張拉控制應(yīng)力為σcon=0.75 fpk=1 395 MPa，鋼束伸長量均已扣除10%的初張拉，預(yù)應(yīng)力管道采用配套塑料扁形波紋管，采用真空壓漿工藝灌漿。

豎向預(yù)應(yīng)力：豎向預(yù)應(yīng)力束采用φs15.2-3鋼絞線，鋼束張拉控制應(yīng)力為σcon=0.65fpk=1 209 MPa，管道采用塑料波紋管成孔，采用真空灌漿技術(shù)。豎向預(yù)應(yīng)力須采用二次張拉工藝。

3.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了加強(qiáng)后期抗船舶撞擊的能力，主墩墩身采用空心墩，船舶可能撞擊的墩身范圍采用實(shí)心截面。主墩墩身厚度為280 cm，墩寬1 630 cm，為減少水流阻力，墩身兩端采用三角截面，主墩基礎(chǔ)采用8根Φ250 cm鉆孔灌注樁，采用嵌巖樁設(shè)計。為增加有效通航凈寬，確保船舶航行安全，并且由于地形限制，連續(xù)剛構(gòu)橋墩很矮，對受力很不利，按一般經(jīng)驗(yàn)，連續(xù)剛構(gòu)橋墩墩高需大于1/10主橋跨徑。因此按航道部門要求，將通航孔橋墩承臺埋至河床底面以下，主墩河床下挖深度約4 m。

過渡墩采用薄壁實(shí)心墩，墩身厚度為180 cm，墩寬1 550 cm，為減少水流阻力，墩身兩端采用三角截面，承臺下設(shè)置6根Φ180 cm鉆孔灌注樁，采用嵌巖樁設(shè)計。

4 結(jié)構(gòu)受力分析[1-5]

4.1 縱向計算

在設(shè)計時上部結(jié)構(gòu)靜力分析采用MIDAS2010與QJX4.0兩套程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和相互校核，兩個程序計算結(jié)果非常接近。主橋?yàn)橹骺?28 m的連續(xù)剛構(gòu)橋，墩高15 m，墩高為單跨跨徑的1/8.5，墩身剛度相對較大，因此在計算時必須考慮樁基的柔度。本計算根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料采用樁基土彈簧模擬實(shí)際樁基受力情況。全橋共劃分為597個節(jié)點(diǎn)和578個單元。結(jié)構(gòu)離散圖見圖4。

圖4 主橋計算機(jī)構(gòu)離散圖（MIDAS）

根據(jù)施工總體安排，共劃分為21個施工階段，對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋各階段的受力情況進(jìn)行了全面計算分析，計算荷載包括恒載、活載、支座不均勻沉降、溫度變化、預(yù)應(yīng)力及混凝土收縮、徐變等，根據(jù)本橋所處的具體地理、氣候條件，基礎(chǔ)不均勻沉降主墩按20 mm考慮，邊墩按5 mm考慮，并人工進(jìn)行最不利組合計算，結(jié)構(gòu)整體升溫按20℃計，整體降溫按-20℃。梯度溫度按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)規(guī)定的混凝土箱梁設(shè)計溫度梯度計算：正溫差T1=14℃，T2=5.5℃；負(fù)溫差T1=-7℃，T2=-2.75℃，由于主橋下為東江北支流Ⅲ級航道，經(jīng)過對船撞力的分析，采用修正后的沃辛公式計算的船撞力考慮，橫橋向F＝7 000 kN；縱橋向3 500 kN。本橋按10 a來考慮混凝土收縮徐變影響。

4.1.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算

主橋按公路橋規(guī)JTG D60-2004第4.1.6條承載能力極限狀態(tài)效應(yīng)組合進(jìn)行承載力驗(yàn)算，主梁的承載力和內(nèi)力包絡(luò)見圖5、圖6。

圖5 主梁正截面抗彎承載能力包絡(luò)圖(單位：k N·m)

圖6 主梁斜截面抗剪承載能力包絡(luò)圖(單位：kN)

由圖5、圖6可知：抗彎強(qiáng)度包絡(luò)線和抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線完全包住承載能力極限狀態(tài)最不利荷載組合的最大正負(fù)彎矩設(shè)計值和最大正負(fù)剪力設(shè)計值。并且根據(jù)規(guī)范要求對

4.1.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算

（1）正截面抗裂

根據(jù)計算，主梁最小壓應(yīng)力為0.346 MPa，出現(xiàn)在中支點(diǎn)處，中跨跨中壓應(yīng)力為0.667 MPa，主梁上、下緣除邊支點(diǎn)附近外均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，故正常使用階段正截面抗裂滿足規(guī)范要求。

（2）斜截面抗裂（計入豎向預(yù)應(yīng)力作用）

主梁在短期組合作用下，考慮豎向預(yù)應(yīng)力的作用，斜截面抗裂均能滿足規(guī)范要求，即σtp≤0.4 ftk=1.096 MPa。

4.1.3 持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計算

（1）正截面混凝土的法向壓應(yīng)力

本橋使用階段構(gòu)件正截面最大壓應(yīng)力為16.24 MPa，小于規(guī)范限值17.75 MPa，使用階段主梁正截面混凝土的壓應(yīng)力滿足要求。

（2）受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力

由計算可知，使用階段預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力最大為1 198.4 MPa。受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力能夠滿足規(guī)范要求，即 σpe+σp≤0.65 fpk=0.65×1 860 MPa=1 209 MPa。

（3）斜截面混凝土的主壓應(yīng)力（已計入豎向預(yù)應(yīng)力作用）

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，構(gòu)件截面最大主壓應(yīng)力為16.24 MPa，滿足規(guī)范限值 σcp≤0.6 fpk=0.6×35.5=21.3 MPa，使用階段主梁截面混凝土主壓應(yīng)力能夠滿足要求。

根據(jù)計算可知，滿足相關(guān)施工階段預(yù)壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力要求、施工階段預(yù)拉區(qū)混凝土拉應(yīng)力要求及撓度要求。

4.2 橫向計算

由于箱梁的橫斷面可看成一個框架結(jié)構(gòu)，其受力狀況較為復(fù)雜，為了查明在橋面板受力是否滿足要求，以及底板預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力作用下，箱梁在各梁段底板上下緣橫向鋼筋設(shè)計是否滿足要求，需對箱梁主要控制梁段進(jìn)行橫向分析。

橫向預(yù)應(yīng)力可加強(qiáng)橋梁的橫向聯(lián)系,增加懸臂板的抗彎能力。箱梁的橫向作為被支承在主梁腹板中心線下緣的箱形框架進(jìn)行設(shè)計,計算時沿順橋向取單位長度為1 m,考慮各種不同的布載情況。主橋取支點(diǎn)截面、跨中截面、1/4跨等具有代表性的截面進(jìn)行計算,橫梁重力按實(shí)際施加，同時支點(diǎn)截面將縱向計算時永久作用和除汽車、人群以外的可變作用引起的支反力標(biāo)準(zhǔn)值作為永久荷載平均施加在橫梁的各腹板位置，汽車、人群荷載在其實(shí)際作用范圍按最不利加載。

由于此結(jié)構(gòu)為外部靜定結(jié)構(gòu)，均勻溫度變化不會產(chǎn)生內(nèi)力，溫度應(yīng)力沿單元截面呈直線變化，按升、降溫分別考慮。

4.3 橋墩計算

紅海大橋的主墩采用空心薄壁墩，考慮到船舶撞擊的影響，在船舶可撞擊范圍內(nèi)采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，針對主墩結(jié)構(gòu)主要進(jìn)行施工階段驗(yàn)算及使用階段驗(yàn)算，施工階段驗(yàn)算采用最不利工況，即最高墩的最大雙懸臂狀態(tài)，不對稱荷載考慮了以下幾個方面：（1）主梁懸臂施工過程中一端掛籃脫落；（2）考慮模板變形（漲箱）等因素，節(jié)段施工超前的懸臂混凝土自重增加4%；（3）參照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D60-01－2004）4.5.1條，風(fēng)荷載加載時，考慮了不對稱加載工況。節(jié)段施工超前的懸臂橫向風(fēng)荷載按規(guī)范公式計算；而滯后的懸臂僅取計算結(jié)果的一半。使用階段驗(yàn)算主要考慮汽車荷載、溫度荷載、基礎(chǔ)沉降、汽車制動力、風(fēng)載及船舶撞擊力等的影響，采用有限元分析方法，建立最大雙懸臂階段和運(yùn)營階段的模型，最后通過計算確定紅海大橋下部結(jié)構(gòu)的截面及配筋。

5 主橋設(shè)計措施

5.1 橋面鋪裝問題

紅海大橋位處石龍老城區(qū)與紅海物流園區(qū)間的一個重要通道，原要求采用水泥混泥土路面結(jié)構(gòu)，由于采用水泥混凝土鋪裝將使主橋結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力偏大，需采用高標(biāo)號混凝土，因此設(shè)計時提出采用瀝青混凝土鋪裝減小主梁混凝土標(biāo)號，保證施工質(zhì)量。

5.2 船撞力問題

鑒于影響船舶撞擊力大小的因素較多，涉及船型、船舶排水量、行駛速度、橋墩尺寸強(qiáng)度及彈性性能等諸多因素，目前我國現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）所規(guī)定的內(nèi)河船舶撞擊力偏小，不宜作為船舶撞擊力設(shè)計值控制設(shè)計，紅海大橋根據(jù)幾種國內(nèi)外常用經(jīng)驗(yàn)公式計算后采用修正的沃辛公式計算結(jié)果作為船舶撞擊力的取值，能滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全性及橋梁方案的經(jīng)濟(jì)性?？紤]到船撞撞擊的要求，在滿足橋墩柔度及滿足施工中可能出現(xiàn)的不平衡重量的要求，紅海大橋選用單薄壁墩形式，因?yàn)閱伪”诙盏姆雷残阅苓h(yuǎn)優(yōu)于雙薄壁墩。同時雙薄壁墩將增加橋梁主跨跨徑，且會引起水流紊流，不利通航及泄洪。

5.3 主梁頂推力的選用

由于本橋是剛構(gòu)體系，合龍后由于框架效應(yīng)預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)剪力、收縮徐變次效應(yīng)剪力均是向內(nèi)的，因此有必要在合攏前設(shè)置反向的頂推力，其目標(biāo)值是使墩身達(dá)到受力最優(yōu)化，為了避免出現(xiàn)頂推力不足或過大的局面，現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)介紹一般建議頂推力取值按照全部預(yù)應(yīng)力次剪力加上收縮徐變次剪力，通過對合攏頂推力的優(yōu)化計算，得出理論最優(yōu)頂推力應(yīng)取為1 000 kN。

6 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，是大跨徑橋梁的主要橋型之一，外觀簡單大方，力學(xué)模型明晰，具有可靠的強(qiáng)度、剛度及抗裂性能，同時有著變形小、結(jié)構(gòu)剛度好、行車平順舒適、養(yǎng)護(hù)簡易及抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計對大橋上、下部得構(gòu)造尺寸進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計，并通過對橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，對橋梁上下部等各項(xiàng)指標(biāo)都進(jìn)行可比較嚴(yán)格的控制，力爭避免出現(xiàn)同類型橋梁的弊病，保證大橋在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)能安全、高效的運(yùn)營。紅海大橋已于2012年12月28日正式開工，預(yù)計2015年6月建成通車。

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

[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]雷俊卿.橋梁懸臂施工與設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,2000.

[4]馬保林.高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5]徐君蘭,顧安邦.連續(xù)剛構(gòu)橋主墩剛度合理性的探討[J].公路交通科技,2005(2):59-62.