主跨150 m連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)分析

李艷忠

（山西運(yùn)城路橋有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化交通體系的快速發(fā)展，大跨度橋梁日漸增多。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋適應(yīng)了橋梁建設(shè)的需要[1]。連續(xù)剛構(gòu)橋因其自身穩(wěn)定性好、跨越能力強(qiáng)、施工方便、技術(shù)成熟、造價(jià)低、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并逐漸向高墩、大跨徑方向發(fā)展[2]，可以說(shuō)連續(xù)剛構(gòu)橋在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式。本文以一座主跨150 m的連讀剛構(gòu)橋?yàn)槔?，?duì)主橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討，希望對(duì)同類型橋型設(shè)計(jì)提供參考。

1 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)概述

以一座五跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘肮こ踢M(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。該橋跨徑布置為（80+3×150+80）m=610 m，主梁為上下行雙幅分離式，每幅為單箱單室，最大墩高118 m。

圖1 橋形布置圖（單位：cm）

1.2 梁段劃分

主梁采用掛籃逐梁段對(duì)稱澆注施工，由墩頂0號(hào)塊向兩側(cè)依次對(duì)稱懸臂澆注至19號(hào)塊。箱梁縱向節(jié)段分3 m、3.5 m、4 m三種長(zhǎng)度，其中1～6號(hào)梁段長(zhǎng) 3 m，7～12號(hào)梁段長(zhǎng) 3.5 m，13～19 號(hào)梁段長(zhǎng)為4 m。墩頂0號(hào)塊總長(zhǎng)為12 m，邊跨合攏段、中跨合攏段長(zhǎng)度均為2 m。邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為3.65 m。設(shè)計(jì)時(shí)考慮掛籃的最大承載能力不低于350 t，掛籃自重及全部施工荷載不高于110 t。

1.3 箱梁構(gòu)造

主梁采用單箱單室箱形截面。主梁根部梁高9.3 m，高跨比為1∶16.1；跨中梁高為3.3 m，高跨比為1∶45.5。箱梁頂板寬12 m，底板寬6.5 m，翼緣板懸臂長(zhǎng)2.75 m，0號(hào)塊以外箱梁高度由9.3 m至3.3 m按1.7次拋物線變化。箱梁底板厚度從跨中向支點(diǎn)由0.32 m至1 m按1.7次拋物線變化；箱梁頂板厚度一般梁段為0.3 m，支點(diǎn)附近由0.3 m加厚至0.5 m；腹板厚度分為0.5 m、0.6 m、0.7 m三種形式，厚度變化按線性變化且均在同一個(gè)梁段內(nèi)完成過(guò)渡。

1.4 預(yù)應(yīng)力體系

主梁采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束采用15-17、15-19、15-21三種高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa。其中頂板束（15-19）、腹板束（15-21）、中跨合攏束（15-19）、邊跨合攏束頂板采用15-19，邊跨合攏束底板采用15-17低松弛高強(qiáng)度鋼絞線。邊跨頂板、底板鋼束梁端設(shè)為固定端，采用單端張拉形式，其余縱向鋼束均采用兩端張拉。

箱梁橫向預(yù)應(yīng)力采用15-5低松弛、低回縮、高強(qiáng)度鋼絞線，鋼絞線材料特性同縱向預(yù)應(yīng)力束。橫向預(yù)應(yīng)力束采用單端交錯(cuò)張拉方式。

為了提高梁體抗剪能力，增加安全儲(chǔ)備，腹板豎向預(yù)應(yīng)力采用15-3低松弛、低回縮、高強(qiáng)度鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力縱向間距50 cm，在墩梁固結(jié)段，豎向預(yù)應(yīng)力筋深入墩身處9 m。

1.5 下部構(gòu)造

主墩采用雙薄壁空心墩，外輪廓尺寸為8.5×3.5 m，橫橋向壁厚0.8 m，縱橋向壁厚0.6 m，兩肢凈距5 m，承臺(tái)厚4 m，基礎(chǔ)采用22根直徑2.2 m鉆孔樁基礎(chǔ)；分聯(lián)墩采用矩形空心截面，外輪廓為6.5×3.5 m，壁厚0.6 m，基礎(chǔ)采用8根直徑2.2 m鉆孔樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)均按嵌巖樁設(shè)計(jì)。19～24號(hào)墩墩高分別為46.3 m、84.6 m、110 m、118 m、87 m、82.3 m，其中21號(hào)、22號(hào)墩在墩半高處設(shè)置系梁。

2 結(jié)構(gòu)有限元模型

運(yùn)用有限元分析軟件Midas civil2015建立有限元計(jì)算模型。主梁采用C55混凝土，橋墩及承臺(tái)采用C40混凝土。墩底采用固結(jié)處理，主梁和分聯(lián)墩之間通過(guò)彈性連接來(lái)模擬支座，建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 整體計(jì)算有限元模型

計(jì)算荷載包括：恒載、汽車荷載（公路-Ⅰ級(jí)）、基礎(chǔ)變位、溫度和預(yù)應(yīng)力等，其中溫度荷載參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）規(guī)定溫度場(chǎng)進(jìn)行局部溫差效應(yīng)計(jì)算，體系升溫24℃，體系降溫-26℃；溫度梯度取值T1=14℃，T2=5℃；二期恒載考慮了防撞護(hù)欄、橋面鋪裝、人行道板等的重量，按均布荷載50 kN/m施加；考慮運(yùn)營(yíng)風(fēng)和百年風(fēng)，運(yùn)營(yíng)風(fēng)荷載橋面處風(fēng)速為25 m/s，百年風(fēng)荷載基本風(fēng)速為27.5 m/s；主墩基礎(chǔ)沉降按-2 cm考慮，過(guò)渡墩基礎(chǔ)沉降按-1 cm考慮；施工臨時(shí)荷載考慮掛籃荷載，按1 t取值，并考慮其偏心作用。計(jì)算時(shí)考慮荷載組合工況如表1所示。

表1 整體計(jì)算荷載組合表

3 上部結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

3.1 正截面抗彎承載能力

圖3 正截面抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果

按照04版《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》對(duì)主梁各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，出現(xiàn)負(fù)值表示壓應(yīng)力，出現(xiàn)正值表示拉應(yīng)力。按規(guī)范第5.1.5條的要求，γ0S≤R即“結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)×作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)最大值均小于等于構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值”。由圖3可見(jiàn)，主梁的抗彎承載力均大于內(nèi)力設(shè)計(jì)值，正截面抗彎承載力計(jì)算結(jié)果均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.2 斜截面抗裂計(jì)算

按照規(guī)范第6.3.1-2條，對(duì)于分段澆注的全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，在短期組合下截面主拉應(yīng)力需滿足σst≤0.4ftk=1.096。在短期組合下，主梁最大主拉應(yīng)力如圖4。可見(jiàn)主梁最大主拉應(yīng)力為0.94 MPa，小于規(guī)范限值1.096 MPa，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求（未計(jì)入豎向預(yù)應(yīng)力作用）。

圖4 斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果圖形

3.3 斜截面抗剪計(jì)算

主梁抗剪計(jì)算通過(guò)PSC計(jì)算，加密區(qū)箍筋為4φ16@125 mm，受拉鋼筋距截面邊緣距離為70 mm，圖5為邊梁抗剪承載力包絡(luò)圖，可見(jiàn)各截面抗剪承載力均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

圖5 斜截面抗剪承載能力計(jì)算結(jié)果

3.4 主梁剛度

汽車荷載作用下，主梁跨中撓度最大值為-60 mm，根據(jù)JTG D62—2015第6.5.3條規(guī)定，活載作用下跨中最大撓度允許值：L/600=250 mm，滿足規(guī)范要求。

其余計(jì)算指標(biāo)如表2所示，可見(jiàn)該橋在各種狀況下均能滿足規(guī)范要求。

表2 主梁主要計(jì)算指標(biāo)表 MPa

4 主橋下部結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

主橋下部結(jié)構(gòu)包括橋墩、承臺(tái)和樁基礎(chǔ)，正常使用狀態(tài)主要包括順橋向和橫橋向的承載能力和裂縫寬度計(jì)算，采用Midas civil程序進(jìn)行橋墩和樁基礎(chǔ)的普通鋼筋混凝土柱RC值計(jì)算?？紤]橫向風(fēng)荷載，分別進(jìn)行順橋向和橫橋向的計(jì)算。

4.1 薄壁墩墩身強(qiáng)度

主橋墩身均采用薄壁形式，墩身截面為矩形。主墩的計(jì)算按照《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》（JTG D62—2004）的要求，采用鋼筋混凝土矩形截面、偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行正截面強(qiáng)度驗(yàn)算。墩身的受力考慮溫度力、混凝土收縮徐變、汽車沖擊力、地震力等，按最不利荷載組合驗(yàn)算配筋。

橋墩采用C40混凝土，主筋采用HRB400鋼筋直徑32 mm呈并筋布置，間距100 mm。橋墩縱彎計(jì)算長(zhǎng)度取實(shí)際長(zhǎng)度的0.8倍，橫彎計(jì)算長(zhǎng)度取實(shí)際長(zhǎng)度的1.5倍。承載力計(jì)算過(guò)程中未計(jì)入腹板側(cè)鋼筋的作用。

計(jì)算結(jié)果表明主墩橫向、縱向、雙向偏壓安全系數(shù)分別不小于1.96、1.41、1.24，主墩偏壓承載力滿足要求。限于篇幅表3中僅給出雙向偏壓安全系數(shù)較小的23號(hào)主墩右肢下端的計(jì)算結(jié)果值。

表3 主墩承載力計(jì)算結(jié)果

4.2 墩身裂縫

墩身裂縫的計(jì)算考慮主導(dǎo)內(nèi)力最大、最小工況下，且均考慮偏心增大系數(shù)的影響。在橫向偏壓作用下，偏壓增大系數(shù)取1.0，且全截面受壓，不出現(xiàn)裂縫；縱向偏壓作用下，最大裂縫寬度值僅為0.18 mm。限于篇幅表4中僅給出計(jì)算結(jié)果值較大的23號(hào)主墩左肢上端截面裂縫計(jì)算結(jié)果，橫向、縱向計(jì)算值均能滿足規(guī)范要求的0.2 mm限值。

表4 主墩裂縫計(jì)算結(jié)果

4.3 承臺(tái)

承臺(tái)是樁基礎(chǔ)的一個(gè)重要組成部分，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度與剛度。承臺(tái)按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)行局部受壓、抗沖剪、抗彎、抗剪切驗(yàn)算。20～23號(hào)主墩采用分幅橋墩、整幅承臺(tái)形式，承臺(tái)順橋向尺寸為17.5 m，橫橋向尺寸24.0 m，厚4 m，采用C40混凝土。經(jīng)計(jì)算，承臺(tái)上緣和下緣均應(yīng)配置2層直徑28 mm鋼筋，方能滿足強(qiáng)度要求[3]。

4.4 樁基礎(chǔ)

橋梁樁基礎(chǔ)單樁承載力按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D63—2007中公式5.3.4按嵌巖樁進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)考慮樁基與承臺(tái)固結(jié)，承臺(tái)剛度無(wú)窮大，由上部構(gòu)造計(jì)算結(jié)果的最不利荷載組合傳至主墩的反力，與墩、承臺(tái)自重疊加得出單樁軸向受壓允許承載力。根據(jù)規(guī)范中嵌巖樁計(jì)算公式，得到主墩樁長(zhǎng)為28～32 m。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各墩樁基計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文以主跨150 m的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，通過(guò)有限元分析，對(duì)上部箱梁進(jìn)行了靜力計(jì)算，對(duì)正截面抗彎、斜截面抗裂、斜截面抗剪、主梁剛度等指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算并驗(yàn)算，結(jié)果均能滿足規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)了全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)的要求；對(duì)下部構(gòu)造中薄壁墩墩身、承臺(tái)、樁基礎(chǔ)等進(jìn)行配筋計(jì)算，得到了受力較優(yōu)的受力狀態(tài)。該橋的設(shè)計(jì)為今后同類橋型的設(shè)計(jì)提供參考[4-5]。