淺談?lì)A(yù)應(yīng)力混凝土寬橋設(shè)計(jì)

王紫玉

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082）

淺談?lì)A(yù)應(yīng)力混凝土寬橋設(shè)計(jì)

王紫玉

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082）

根據(jù)國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃昆明新機(jī)場明確定為遷建工程，定位為“面向南亞、東南亞，連接歐亞的大型門戶樞紐機(jī)場”，是云南省機(jī)場布局和航空網(wǎng)絡(luò)的核心。離港層主橋是昆明新機(jī)場航站樓樓前橋梁工程的重要組成部分，其特點(diǎn)是橋?qū)捿^寬，梁高由橫向計(jì)算控制，結(jié)合工程實(shí)例，總結(jié)設(shè)計(jì)中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)，簡要介紹了寬橋的設(shè)計(jì)方法，闡述了結(jié)構(gòu)計(jì)算的思路,為今后類似工程的設(shè)計(jì)工作提供了經(jīng)驗(yàn)和可靠的參考。

寬橋;橫向分布系數(shù);平面桿系計(jì)算;梁格法空間計(jì)

1　工程概況

昆明新機(jī)場航站樓樓前橋梁工程分為主橋及匝道橋兩部分。橋梁全長4 219.3 m，橋梁總面積754 31 m2。其中離港層主橋，全長432 m，全寬50 m，橋梁面積21 632 m2；匝道橋全長3 787.3 m，橋梁面積53 799 m2。

該橋?yàn)殡x港層主橋中的一聯(lián)，橋?qū)?0 m，受柱網(wǎng)間距的制約，跨徑布置為4×36 m，下部結(jié)構(gòu)為雙柱支承，墩柱基礎(chǔ)與地下停車樓共構(gòu),如圖1所示。

圖1　昆明新機(jī)場

2　設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

該橋采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下:

（1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a；

（2）環(huán)境類別：I類；

（3）安全等級(jí)：二級(jí)；

（4）設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)，人群荷載2.4 kPa；

（5）抗震標(biāo)準(zhǔn)：地震動(dòng)峰值加速度0.26 g（根據(jù)地震安全性評(píng)估報(bào)告）；

（6）地震烈度：8度。

3　設(shè)計(jì)條件

3.1受控的邊界條件

以“七彩云南”為理念，航站樓總體建筑由不同的曲線及“彩帶”組合而成，柱網(wǎng)間距為9 m；為了配合樓前的“彩帶”造型，離港層主橋跨徑布置為4×36 m一聯(lián)（9的整數(shù)倍）。根據(jù)道路專業(yè)到港層的車道布置情況及凈空的要求，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱支承且與地下停車樓形成共構(gòu)，墩柱的位置較受控，遠(yuǎn)離航站樓側(cè)形成了“大懸臂”結(jié)構(gòu)，詳見圖2。

圖2　橋墩布置斷面(單位:cm)

3.2梁型的選取

工程所處地區(qū)為高地震烈度區(qū)，離港層主橋橋?qū)捿^寬，且墩柱布置受控，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)因素等多方面因素，最終確定主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。

4　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-3]

4.1截面尺寸及梁高的擬定

參考北京首都國際機(jī)場T3航站樓樓前橋的設(shè)計(jì)資料，該橋采用8跨一聯(lián)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，最大跨徑為36 m，橋?qū)挒?0.5 m，下部結(jié)構(gòu)采用三柱支承，梁高1.8 m，端中橫梁均設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力；該橋設(shè)計(jì)時(shí)截面采用橫向單箱多室的曲線型斷面，橋?qū)?0 m，初步擬定尺寸如表1所示。

表1　尺寸擬定

經(jīng)過縱、橫向初步試算，若采用2 m的梁高，縱向計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求，但橫向計(jì)算，由于受到“大懸臂”效應(yīng)的制約，梁高需加大；經(jīng)過反復(fù)試算，最終確定采用2.7 m的梁高，至此，最終的斷面形式如圖3所示。

4.2橫向分布系數(shù)的確定

橫向分布系數(shù)是結(jié)構(gòu)由空間計(jì)算簡化為平面桿系計(jì)算的重要參數(shù)，可采用以下兩種方法計(jì)算：

方法一：按照《通用規(guī)范》的規(guī)定，按照橋?qū)挻_定車道數(shù)，并得到相應(yīng)的橫向折減系數(shù)，采用此方法計(jì)算得到的活載橫向分布系數(shù)：（0.5×8）×1.15=4。

方法二：按照T3樓前橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)隔離帶的設(shè)置分別計(jì)算橫向分配系數(shù)再求和，采用此方法計(jì)算得到的活載橫向分布系數(shù)：（0.78× 3+0.78×3+1×2）×1.15=7.682。

方法一的計(jì)算結(jié)果顯然與實(shí)際情況不符，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選用方法二進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)空間分析結(jié)果來對(duì)取值進(jìn)行論證。

4.3結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算

4.3.1桿系模型的建立

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁采用北京市政院橋梁綜合程序（平面桿系計(jì)算程序）進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示。

圖4　單元離散圖（對(duì)稱結(jié)構(gòu)）

（1）溫度：體系升溫取30℃，體系降溫取-25℃。

（2）沉降：沉降按0.005 m控制。

（3）均布荷載：橋面鋪裝重=0.06×26×50+0.1× 25×50+（3+4+4+8）×0.15×22=266 kN/m，欄桿+地袱重=7.5×2=15 kN/m，∑q=281 kN/m。

（4）非線性溫度：根據(jù)通用規(guī)范取用。

4.3.2結(jié)構(gòu)體系分析

按平面桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算平面內(nèi)彎矩、軸力及剪力，然后根據(jù)各截面慣性矩計(jì)算截面應(yīng)力，根據(jù)截面應(yīng)力配置預(yù)應(yīng)力鋼束。采用的荷載組合為:（1）全恒;（2）全恒+活載+人群;（3）全恒+活載+人群+升溫+梯度正溫差+沉降1;（4）全恒+活載+人群+升溫+梯度正溫差+沉降2;（5）全恒+活載+人群+降溫+梯度反溫差+沉降1;（6）全恒+活載+人群+降溫+梯度反溫差+沉降2;

劃分的施工階段為:（1）澆注主梁混凝土;（2）張拉預(yù)應(yīng)力鋼束;（3）橋面系安裝;（4）使用階段。

4.3.3計(jì)算結(jié)果分析

4.3.3.1抗裂驗(yàn)算

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂（長期效應(yīng)），結(jié)果見表2。在各類荷載組合下，結(jié)構(gòu)在長期效應(yīng)荷載下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，說明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件長期抗裂要求。

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂（短期效應(yīng)），結(jié)果見表3。在各類荷載組合下，結(jié)構(gòu)在短期效應(yīng)荷載拉應(yīng)力均小于0.7 Ftk＝1.855 MPa，說明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件短期效應(yīng)抗裂要求。

圖3　橋梁斷面圖（單位：cm）

對(duì)驗(yàn)算斜截面主拉應(yīng)力抗裂，在支點(diǎn)截面最大主拉應(yīng)力為1.12 MPa，小于0.7 Ftk=1.855 MPa說明結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件最大主拉應(yīng)力抗裂的要求。

表2　長期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算　MPa

表3　短期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算　MPa

4.3.3.2強(qiáng)度驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力小于規(guī)范規(guī)定的0.5Fck=16.2MPa，說明結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過正截面抗彎計(jì)算，斜截面抗剪計(jì)算，斜截面抗彎計(jì)算后，各強(qiáng)度均滿足要求。

4.3.3.3承載力驗(yàn)算

Mu為結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)值（未考慮普通鋼筋的作用），Md為荷載作用效果組合值，由表4可看出，結(jié)構(gòu)在荷載作用下承載力滿足規(guī)范要求。

表4　承載力計(jì)算　kN·m

4.3.3.4剛度驗(yàn)算

根據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果，在荷載作用下的位移值如表5所示，說明結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

4.4結(jié)構(gòu)橫向計(jì)算

4.4.1桿系模型的建立

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁采用北京院橋梁綜合程序（平面桿系計(jì)算程序）進(jìn)行計(jì)算。橫梁結(jié)構(gòu)離散圖及橫向預(yù)應(yīng)力布置圖分別如圖5和6所示。

表5　變形表

模型中所用荷載組合為：

（1）全恒；（2）全恒+活載；（3）全恒+活載+人群；（4）全恒+活載+人群+升溫；（5）全恒+活載+人群+降溫。

4.4.2中橫梁計(jì)算結(jié)果分析

4.4.2.1抗裂驗(yàn)算

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂（長期效應(yīng)）。在各類荷載組合下，計(jì)算結(jié)果表6，結(jié)構(gòu)在長期效應(yīng)荷載下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。說明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件長期抗裂要求。

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂（短期效應(yīng)）。在各類荷載組合下，計(jì)算結(jié)果見表7，結(jié)構(gòu)在短期效應(yīng)荷載拉應(yīng)力均小于0.7 Ftk=1.855 MPa，符合規(guī)范要求。說明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件短期效應(yīng)抗裂要求。

對(duì)斜截面主拉應(yīng)力驗(yàn)算抗裂，在支點(diǎn)截面最大主拉應(yīng)力為0.98 MPa，小于0.7 Ftk=1.855 MPa。說明結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件最大主拉應(yīng)力抗裂的要求。

圖5　橫梁結(jié)構(gòu)離散圖

圖6　橫向預(yù)應(yīng)力的布置（單位：cm）

表6　長期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算MPa

表7　短期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算　MPa

4.4.2.2強(qiáng)度驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為9.68 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的0.5 Fck=16.2 MPa，說明結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。經(jīng)過正截面抗彎計(jì)算，斜截面抗剪計(jì)算，斜截面抗彎計(jì)算后，各強(qiáng)度均滿足要求。

4.4.3端橫梁計(jì)算結(jié)果分析

4.4.3.1抗裂驗(yàn)算

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂（長期效應(yīng)）。在各類荷載組合下，計(jì)算結(jié)果見表8，結(jié)構(gòu)在長期效應(yīng)荷載下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。說明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件長期抗裂要求。

按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件驗(yàn)算正截面抗裂（短期效應(yīng)）。在各類荷載組合下，計(jì)算結(jié)果見表9,結(jié)構(gòu)在短期效應(yīng)荷載拉應(yīng)力均小于0.7 Ftk=1.855 MPa，符合規(guī)范要求。說明應(yīng)力驗(yàn)算符合規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件短期效應(yīng)抗裂要求。

表8　長期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算　MPa

表9　短期荷載效應(yīng)下主梁正應(yīng)力抗裂驗(yàn)算　MPa

斜截面主拉應(yīng)力驗(yàn)算抗裂，在支點(diǎn)截面最大主拉應(yīng)力為0.98 MPa，小于0.7 Ftk=1.855 MPa，說明結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件最大主拉應(yīng)力抗裂的要求。

4.4.3.2強(qiáng)度驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為9.38 MPa，小于規(guī)范規(guī)定0.5 Fck=16.2 MPa。說明結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過正截面抗彎計(jì)算，斜截面抗剪計(jì)算，斜截面抗彎計(jì)算后，各強(qiáng)度均滿足要求。

4.5空間計(jì)算比較

4.5.1空間模型的建立

空間計(jì)算采用橋梁計(jì)算通用程序Midas Civil，根據(jù)漢勃利的梁格理論[4]，主梁采用梁格法建模，對(duì)各個(gè)縱梁截面的劃分，按中性軸位置一致的原則，并修正截面的抗扭剛度，三個(gè)中墩與主梁固結(jié)，邊支點(diǎn)靠近航站樓側(cè)采用單向活動(dòng)的盆式支座，遠(yuǎn)離航站樓側(cè)采用雙向活動(dòng)的盆式支座，墩底與航站樓形成共構(gòu)，具體模型如圖7所示。

圖7　空間結(jié)構(gòu)模型

主要荷載的取值均與桿系模型一致，兩種程序的計(jì)算結(jié)果具有一定的可比性。

4.5.2計(jì)算結(jié)果分析

反力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8　反力圖（單位：kN）

長期荷載下上下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9和10所示。

圖9　長期組合上緣應(yīng)力（單位：kN/m2）

圖10　長期組合下緣應(yīng)力（單位：kN/m2）

短期荷載下上下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖11和12所示。

圖11　短期組合上緣應(yīng)力（單位：kN/m2）

圖12　短期組合下緣應(yīng)力（單位：kN/m2）

經(jīng)過計(jì)算，正截面抗裂（長期、短期），斜截面主拉應(yīng)力，正壓應(yīng)力，以及正截面抗彎計(jì)算、斜截面抗剪計(jì)算、斜截面抗彎計(jì)算，各強(qiáng)度基本滿足規(guī)范要求，其預(yù)應(yīng)力效應(yīng)及活載效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與桿系模型基本一致。

5　結(jié)語

以機(jī)場航站樓前的離港層寬橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過合理的選取橫向分布系數(shù)，僅運(yùn)用桿系模型計(jì)算，也可較好地完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而在設(shè)計(jì)過程中，省去了大量的復(fù)雜的建模工作。在擬定結(jié)構(gòu)的梁高時(shí)，除了參考以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還應(yīng)進(jìn)行縱、橫向的初步試算，以避免結(jié)構(gòu)尺寸的重大調(diào)整；受橋下交通組織的制約，結(jié)構(gòu)的支承邊界條件不同，計(jì)算的特點(diǎn)也不同，該橋具有“大懸臂”效應(yīng)，梁高主要受橫向計(jì)算控制。

[1]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].

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

[3]CJJ 77-98城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]E.C.漢勃利.橋梁上部構(gòu)造性能[M].北京：人民交通出版社，1982.

貴州加速構(gòu)建高速公路經(jīng)濟(jì)帶

貴州省縣縣通高速公路暨2016年交通重點(diǎn)項(xiàng)目集中開工儀式近日在貴陽至甕安高速公路清水河大橋舉行。貴州省委書記陳敏爾宣布，貴州省縣縣通高速公路目標(biāo)全面實(shí)現(xiàn)，并開啟“十三五”期新一輪交通建設(shè)。

“十三五”是貴州省脫貧攻堅(jiān)、同步小康的決戰(zhàn)決勝時(shí)期，也是交通建設(shè)大有作為的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期。此次貴州省交通重點(diǎn)項(xiàng)目集中開工，標(biāo)志著貴州“十三五”交通建設(shè)新跨越的大幕已經(jīng)拉開。到2020年建成“六橫七縱八聯(lián)”高速公路網(wǎng)，成為貴州高速公路建設(shè)上的新追求。

“十三五”期，貴州力爭建成和在建高速公路里程達(dá)到7 000 km以上，形成22個(gè)以上高速公路省際通道，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將更加完善、高速公路密度將進(jìn)一步提高。

地處西南腹地的貴州，將借力一條條出省通道，加快構(gòu)建與周邊?。▍^(qū)、市）有效銜接的發(fā)展新格局。貴州作為西南重要陸路交通樞紐的優(yōu)勢(shì)將日益凸顯。

貴州高速公路覆蓋全省規(guī)劃的5個(gè)千億元、10個(gè)兩百億元、20個(gè)百億元重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，以及70多個(gè)國家級(jí)、省級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)。目前貴州已形成15個(gè)高速公路出省通道，與珠江三角洲、北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)、成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)、長株潭城市群、滇中經(jīng)濟(jì)區(qū)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

一條高速路就是一條民生路。在貴州，每1億元高速公路的投資可直接產(chǎn)生1 800個(gè)就業(yè)崗位，僅在高速公路建設(shè)三年大會(huì)戰(zhàn)期間，就拉動(dòng)GDP增長1萬多億元，創(chuàng)造了455萬個(gè)就業(yè)崗位。

隨著縣縣通高速公路目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，山地貴州已成為“人暢其行、貨暢其流”的“高速公路平原”。借助這一變化，貴州目前正在積極規(guī)劃“高速公路經(jīng)濟(jì)帶”，包括現(xiàn)代高效山地農(nóng)業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)正在崛起，絡(luò)繹不絕的電商也正將大山里的特產(chǎn)越來越多越來越快地送往山外。此外，富士康、微軟、西門子、阿里巴巴等國內(nèi)外大型企業(yè)陸續(xù)進(jìn)駐，貴州在開放創(chuàng)新、八方助力的優(yōu)良環(huán)境中，人流、物流、資金流、信息流逐步集聚，大數(shù)據(jù)、大健康等重要產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步前行。貴州交通將繼續(xù)保持適度超前、加速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，繼續(xù)完善以高速公路為骨架、國省干線為支撐、縣鄉(xiāng)公路為脈絡(luò)、通村公路為基礎(chǔ)的公路網(wǎng)絡(luò)體系，加快促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，適應(yīng)貴州與全國同步全面建成小康社會(huì)的需要。

U442.5

B

1009-7716（2016）02-0086-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.022

2015-10-23

王紫玉（1984-），男，北京人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。