預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱斜拉橋設(shè)計

■楊 文，何耀煒 ■.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 007;.北方國際合作股份有限公司，北京 00040

近年來，雙邊箱主梁截面結(jié)構(gòu)重量輕、施工方便等優(yōu)點而在大跨度斜拉橋中被廣泛采用。由于斜拉橋主梁以受壓為主、受彎為輔、同時需要一定的抗扭剛度的受力特點，所以雙邊箱主梁設(shè)計中是比較理想的斷面型式。本文主要介紹了雙邊箱主梁的設(shè)計，針對超寬預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱主梁設(shè)計提出了需要特別注意的幾個關(guān)鍵點，并針對這幾個關(guān)鍵點的計算模擬提出了可行的方法和步驟。

1 工程概述

南屏大橋位于江蘇省海安縣通榆路，跨越栟茶運河，路線與河流夾角62 度。項目路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)城市主干道，設(shè)計時速60km/h，橋?qū)?總橋?qū)?9m，塔區(qū)局部加寬至51.2m。按雙向八車道布置，中間雙黃線0.5m，兩側(cè)快車道各14.75m，兩側(cè)各設(shè)置人行道2.5m、非機動車道4m，橋塔及保護(hù)區(qū)(引橋為側(cè)分帶)兩側(cè)各3m。荷載標(biāo)準(zhǔn):城-A 級，人群荷載按城市橋梁設(shè)計規(guī)范選取。

南屏大橋全橋跨徑布置為6 ×20 +(108 +46.1 +33.9)+2 ×20m，主橋為獨塔雙索面斜拉橋(主塔位于河北側(cè))，引橋為先張法預(yù)應(yīng)力砼空心板梁橋。主橋和北側(cè)引橋位于直線段，南側(cè)引橋位于R=2400m平曲線上，縱坡分別為2.45%和2.48%，凸型豎曲線R=3500m。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)本橋橋面過寬的特點，結(jié)構(gòu)體系確定為塔、梁、墩固結(jié)的獨塔雙索面斜拉橋，拉索呈扇形布置，梁體采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱梁，該體系整體剛度大，穩(wěn)定性好。同時，為提高整體剛度，在邊跨設(shè)置了輔助墩，邊跨利用邊箱內(nèi)設(shè)置壓重塊及引橋壓重來平衡斜拉索的垂直分力。

為滿足通航要求，減小運營階段主橋墩柱對橋下航行的干擾，主孔跨徑采用108 米，一跨過河，邊跨80m。在邊跨80m 內(nèi)設(shè)一個輔助墩將邊跨分為46.1m+33.9m，以提高整橋的剛度，改善結(jié)構(gòu)受力，主跨和邊跨均設(shè)置16 根拉索。

2.2 主梁設(shè)計

主橋箱梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱梁結(jié)構(gòu)，兩個邊箱梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，頂面全寬49m(塔區(qū)通過加長懸臂局部加寬至51.2m)，梁高2.99m，梁頂設(shè)2%橫坡(非機動車1.5%橫坡由鋪裝調(diào)節(jié))。邊箱梁的底板寬10.5m，頂板厚30cm，底板厚32cm，邊腹板厚40cm，中腹板厚100cm;兩個箱梁的中心線距為34.1m。箱梁外側(cè)懸臂翼板寬2.2m，懸臂板外端厚20cm，懸臂根部厚45cm。主梁縱向采用的鋼絞線類型為15 -9、15 -12、15 -16。兩個邊箱之間根據(jù)斜拉索在梁上的錨固位置設(shè)置橫隔梁;橫隔梁在橋面中心線處梁高為2.99m，橫梁標(biāo)準(zhǔn)腹板寬40cm，在邊跨配重段，橫梁寬1.2m。各類橫梁內(nèi)均布置15 -17 預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

為平衡邊跨斜拉索的豎向分力，錨跨梁端部往輔助墩方向45.4m范圍內(nèi)箱室內(nèi)用混凝土實體塊進(jìn)行壓重。

2.3 主塔設(shè)計

(1)主塔的設(shè)計思路。由于本橋是通往海安縣城主干線上的重要門戶，主橋景觀要求極高，為使行車視野開闊，橋塔挺拔，取消了塔頂橫撐，同時，也因取消了橫撐，對塔的穩(wěn)定性設(shè)計提出了更高的要求。

對于有橫撐的斜拉塔，穩(wěn)定性計算時采用一端固結(jié)一端鉸接的模型被廣泛認(rèn)可，而對于沒有橫撐的斜拉橋塔，因其有斜拉索的約束，應(yīng)該采用何種方式進(jìn)行桿件計算模擬一直存有著爭議。作者分析認(rèn)為穩(wěn)定性計算時，斜拉索并不能對塔產(chǎn)生完全約束，歐拉公式，其中的μ 取值應(yīng)該為2，即按一端固結(jié)一端自由的桿件來進(jìn)行穩(wěn)定校核較為穩(wěn)妥，同時，綜合考慮塔內(nèi)錨固時拉索的張拉空間的需要，由此擬定本橋塔的結(jié)構(gòu)尺寸。

(2)主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計。南屏大橋主塔采用C50 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面以上塔高53m，橫橋向兩側(cè)塔柱的軸線間距為34.1m。上塔柱采用尺寸為7.5m×3.6m 的空心矩形斷面，下塔柱采用尺寸為7.5m×4m 的實心矩形斷面，塔壁厚度在斜拉索前側(cè)為1.5m，側(cè)面為1.0m。

塔上拉索錨固點對稱設(shè)于箱內(nèi)壁槽口，為抵抗強大的拉索水平分力，上塔柱錨索區(qū)設(shè)置了“井”字形預(yù)應(yīng)力，經(jīng)有限元分析，預(yù)應(yīng)力配置量以控制砼主拉應(yīng)力不超過規(guī)范容許值。

索塔錨固區(qū)出現(xiàn)裂縫的主要原因之一是預(yù)應(yīng)力失效，為安全起見，本次設(shè)計時采取如下措施:在塔的斷面構(gòu)造上，加大了四個倒角的尺寸，以減小塔的橫橋向跨徑從而減小錨固點的彎矩。考慮精軋螺紋鋼50%失效的情況下，錨固區(qū)部分仍有壓應(yīng)力儲備。確保主塔混凝土在承受斜拉索荷載時不產(chǎn)生裂縫。

主墩下塔柱采用C50 砼，為普通鋼筋混凝土，為使主墩軸力均勻傳至下部結(jié)構(gòu)，在主墩下部承臺頂面設(shè)置混凝土基座，以使主墩內(nèi)力均勻擴(kuò)散至承臺。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 總體靜力分析

采用平面和三維空間梁單元，建立MIDAS 2012 模型，根據(jù)施工階段和運營階段，按照各種荷載工況的最不利組合，對主梁進(jìn)行計算分析。主要的作用和荷載如下:(1)恒載:結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮續(xù)編影響力及基礎(chǔ)變位影響力;(2)活載:汽車荷載和人群荷載，同時考慮汽車的沖擊力和制動力;(3)溫度作用:整體升降溫及局部溫差作用:(4)風(fēng)荷載:考慮橋面高度處為25m/s 的運營風(fēng)和百年一遇的設(shè)計基本風(fēng)速兩種情況;按照風(fēng)的方向和橋梁軸線的相對關(guān)系，分為順橋向風(fēng)荷載和橫橋向風(fēng)荷載;(5)施工荷載:計入模板及臨時安置主塔主梁結(jié)構(gòu)上的施工設(shè)備的重量。

按照施工階段和運營階段，對以上作用和荷載進(jìn)行最不利效應(yīng)組合，主要有以下。計算結(jié)構(gòu)表明，強度、剛度均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

3.2 主塔局部應(yīng)力分析

本橋梁體寬、重，導(dǎo)致拉索索力超常規(guī)，設(shè)計時采用橋梁博士3.1對塔梁錨固區(qū)進(jìn)行了應(yīng)力分析。計算結(jié)果顯示，運營階段拉索側(cè)塔壁有4.8MPa 的壓應(yīng)力儲備，側(cè)壁有0.4MPa 的壓應(yīng)力儲備，塔結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生裂縫。

3.3 穩(wěn)定分析

本橋與其他已建成的斜拉橋相比，特點是梁體寬度大，上塔柱不設(shè)置橫向聯(lián)系，索塔穩(wěn)定至關(guān)重要。全橋整體穩(wěn)定:經(jīng)計算在恒載和活載作用下。

4 施工方法

本橋橋下航道尚未整治、河口較窄，故采用滿堂支架法施工，斜拉索張拉順序為從外到內(nèi)，兩次張拉。滿堂支架施工時主梁縱向需要分段澆筑，受現(xiàn)場條件限制，河中支架采用鋼管樁加貝雷片支撐，預(yù)留臨時通航孔;岸上采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的滿堂支架施工方案。為防止梁體在不同支架分界面處產(chǎn)生裂縫，設(shè)計時考慮梁體施工段落劃分在不同類型支架的分界面上，以減少支架沉降對梁體的影響。

考慮到本橋較寬，防止在施工階段因不均勻沉降使梁體產(chǎn)生裂縫，設(shè)計時考慮每段梁段澆筑完成后當(dāng)混凝土強度達(dá)到設(shè)計要求后，即刻張拉該段梁段的橫梁預(yù)應(yīng)力，另外，根據(jù)監(jiān)控計算結(jié)果，在濕接縫附近空出1 -2 個橫梁留待下段梁體澆筑完成后一起張拉，以減小張拉預(yù)應(yīng)力后不同節(jié)段梁體橫向反拱差的影響。通過以上設(shè)計措施，盡可能降低因施工原因造成的梁體損害。

5 結(jié)束語

(1)南屏大橋作為預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋，橋?qū)掃_(dá)到49m，在國內(nèi)已建成的砼梁斜拉橋中并不多見，受力復(fù)雜，設(shè)計時綜合考慮多方因素，合理選用結(jié)構(gòu)尺寸，通過對其進(jìn)行空間的受力分析，對預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋雙邊箱主梁的關(guān)鍵部位受力有了進(jìn)一步的了解，同時也為類似橋梁的設(shè)計提供參考。(2)本橋較寬，上塔柱不設(shè)橫梁，塔柱穩(wěn)定計算時應(yīng)考慮拉索保向力的作用。(3)本橋采用滿堂支架施工，采用支架現(xiàn)澆施工斜拉橋要特別處理好預(yù)應(yīng)力施工的順序、預(yù)應(yīng)力施加的大小、支架剛度、斜拉索張拉次序和張拉值等關(guān)鍵工序。

［1］林元培，斜拉橋［M］，北京:人民交通出版社，1997.

［2］牛長彥，龍灣大橋混凝土雙邊箱主梁設(shè)計計算，中國市政工程，2013.