上橫瀝大橋大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

王文前

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

西線公路南延段工程南起橫瀝鎮(zhèn)西南部現(xiàn)狀萬(wàn)環(huán)西路，往北接大崗鎮(zhèn)中船中路，沿線跨越下橫瀝水道、廣澳高速公路（京珠高速東段）、上橫瀝水道，下穿規(guī)劃南沙疏港鐵路。路線全長(zhǎng)約6.34 km，道路紅線寬度為60m，規(guī)劃定位為具有疏港交通性主干路，承擔(dān)南沙城市中心過(guò)境交通疏解通道，同時(shí)兼具南沙港疏港輔助通道作用。

上橫瀝大橋位于南沙橫瀝鎮(zhèn)西部和大崗鎮(zhèn)南部，為西線公路南延段標(biāo)段二跨越上橫瀝水道的橋梁。上橫瀝水道呈東西走向，起于番禺區(qū)義沙頭，訖于上橫瀝入?yún)R蕉門(mén)水道處。上橫瀝大橋?yàn)?7.5m+100m+57.5m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，單幅橋?qū)?5.6m，采用懸臂節(jié)段施工。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

本工程范圍內(nèi)上橫瀝水道寬310m，通航凈寬40m，對(duì)應(yīng)醉倒通航水位的通航凈高6.0 m，且橋梁采用一孔跨過(guò)通航水域。根據(jù)常用經(jīng)濟(jì)合理邊中跨比，主橋跨徑布置采用57.5m+100m+57.5m。主橋總體布置見(jiàn)圖1，中支點(diǎn)處橫斷面布置見(jiàn)圖2。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

圖2 橫斷面布置圖（單位：cm）

大橋的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：航道等級(jí)為內(nèi)河V I級(jí)，規(guī)劃通航凈寬60m，通航凈高6 m；橫斷面布置為：3m（人行道）+12.0m（車(chē)行道）+0.5m（中央分隔帶處防撞墻）+0.1 m（預(yù)留110 k V的蓋板）=15.6 m；城市主干道，設(shè)計(jì)車(chē)速為60 km/h；荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車(chē)荷載為城-A級(jí)（單向三車(chē)道）?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g。

2.2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外連續(xù)剛構(gòu)橋統(tǒng)計(jì)資料[1-2]分析，主梁梁高可按下列數(shù)據(jù)考慮：支點(diǎn)處高跨比1/17～1/20，其中大部分為1/18左右；跨中處高跨比1/50～1/60，其中大多數(shù)為1/54～1/60。頂板跨中厚度不宜小于28 cm，底板厚度不宜小于32 cm，腹板厚度一般取40～50 cm。邊中跨比宜取 0.55～0.6。

對(duì)于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，宜適當(dāng)增加梁高，以增加主梁剛度，改善主梁應(yīng)力狀態(tài)。

箱梁采用單箱雙室直腹板斷面，箱頂板設(shè)置2%單向橫坡，箱梁底板水平，腹板變高。箱梁頂面寬度為15.6m，懸臂為2.8m，底面寬度為10.0m。箱梁中支點(diǎn)梁高取6.0m，高跨比1/16.7；跨中梁高2.5m，高跨比1/40，邊跨與中跨梁高對(duì)稱(chēng)，梁高按二次拋物線變化。

0號(hào)梁段采用2片橫隔板，厚度為100m，端隔板厚度為150 cm。邊跨現(xiàn)澆段的13#梁段箱梁頂板厚度為28 cm，14#梁段頂板厚度從28 cm至60 cm直線漸變，其它梁段頂板厚28 cm。箱梁底板厚度為32～80 cm，箱梁懸澆梁段底板上、下緣線按二次拋物線變化，0#塊底板倒角后厚度從80～130 cm。邊跨現(xiàn)澆段14號(hào)節(jié)段底板厚度向梁端由32 cm按直線變化至60 cm。箱梁腹板厚度在1～5#梁段區(qū)間為70 cm，8～13#梁段區(qū)間為50 cm，6～7#梁段為腹板厚度變化段，從50～70 cm。

2.3 預(yù)應(yīng)力體系

箱梁設(shè)縱向預(yù)應(yīng)力、橫隔板橫向預(yù)應(yīng)力和腹板豎向預(yù)應(yīng)力，橋面板不設(shè)預(yù)應(yīng)力。箱梁縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，橫隔板預(yù)應(yīng)力按預(yù)應(yīng)力A類(lèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)，橋面板按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。

縱向預(yù)應(yīng)力采用Φs15.2mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，錨固體系為群錨體系。箱梁0#塊橫隔板橫向預(yù)應(yīng)力、豎向預(yù)應(yīng)力采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=930MPa、直徑32mm的預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋。預(yù)應(yīng)力均采用真空壓漿工藝。

預(yù)應(yīng)力張拉次序：縱向懸澆鋼束隨節(jié)段施工依次張拉；邊跨連續(xù)鋼束在邊跨合龍后分兩批張拉；中跨連續(xù)鋼束在全橋何龍后分兩批張拉。豎向預(yù)應(yīng)力滯后兩個(gè)節(jié)段依次張拉。

2.4 主橋施工方案

主梁采用懸臂澆筑法施工，箱梁0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)度為12m，對(duì)稱(chēng)懸臂澆筑部分分為11個(gè)節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度3.5～4.5m，合龍段長(zhǎng)2.0m，全橋共設(shè)置兩個(gè)邊跨合龍段和一個(gè)中跨合龍段，邊跨支架現(xiàn)澆段長(zhǎng)6.5m。

現(xiàn)在支架上澆筑0號(hào)節(jié)段，再利用掛籃依次懸臂澆筑1號(hào)～11號(hào)節(jié)段，并適時(shí)搭設(shè)支架現(xiàn)澆邊跨現(xiàn)澆段，然后進(jìn)行邊跨合龍，最后進(jìn)行中跨合龍。

3 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

3.1 主要計(jì)算參數(shù)

主梁總體計(jì)算采用橋梁博士軟件按平面桿系有限元建立模型分析。計(jì)算模型嚴(yán)格按施工步驟模擬，詳細(xì)考慮懸臂澆筑工程中掛籃前移、混凝土澆筑、轉(zhuǎn)移錨固、合龍、體系轉(zhuǎn)換等過(guò)程。

主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，考慮恒載、預(yù)應(yīng)力及其次內(nèi)力、收縮徐變、汽車(chē)和人群荷載、溫度作用和不均勻沉降以及施工荷載等效應(yīng)。計(jì)算時(shí)按設(shè)計(jì)規(guī)定的掛籃重量和錨固位置準(zhǔn)確模擬施工過(guò)程；非線性溫度效應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算；基礎(chǔ)不均勻沉降考慮了中墩2 cm、邊墩1 cm。

3.2 主要計(jì)算結(jié)果

按照規(guī)范《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 3362—2018[3]第6.3.1條，對(duì)于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，正截面抗裂驗(yàn)算應(yīng)滿足：σst-0.80σpc≤0（不出現(xiàn)拉應(yīng)力）。計(jì)算結(jié)果表明，主梁在頻遇組合下截面上、下緣最小壓應(yīng)力為0.42MPa，故主梁正截面抗裂滿足規(guī)范要求。頻遇組合下截面上、下緣最小應(yīng)力（圖中壓應(yīng)力為正）見(jiàn)圖3。

圖3 頻遇組合下截面上、下緣最小應(yīng)力（單位：MPa）

按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，斜截面抗裂性要求主拉應(yīng)力滿足σtp≤0.4ftk=1.096 MPa（容許出現(xiàn)1.096 MPa拉應(yīng)力）。計(jì)算結(jié)果表明，主梁在頻遇組合下主梁的最大主拉應(yīng)力應(yīng)力為1.11 MPa，滿足規(guī)范要求。頻遇組合下截面主拉應(yīng)力（圖中拉應(yīng)力為負(fù)）見(jiàn)圖4。

圖4 頻遇組合截面主拉應(yīng)力（單位：MPa）

使用階段主梁正截面混凝土的壓應(yīng)力應(yīng)滿足σkc+σpt≤0.5fck=17.75MPa。計(jì)算結(jié)果表明主梁正截面混凝土上緣最大壓應(yīng)力為15.39 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為9.89MPa，滿足規(guī)范要求，見(jiàn)圖5。

圖5 使用階段正截面壓應(yīng)力（單位：MPa）

使用階段主梁正截面混凝土的主壓應(yīng)力應(yīng)滿足σcp≤0.6fck=21.3MPa。計(jì)算結(jié)果表明主梁混凝土最大主壓應(yīng)力為15.55MPa，滿足規(guī)范要求，見(jiàn)圖6。

3.3 預(yù)拱度

圖6 使用階段截面主壓應(yīng)力（單位：MPa）

本橋預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的長(zhǎng)期反拱值大于按荷載短期效應(yīng)組合計(jì)算的長(zhǎng)期撓度，按規(guī)范要求可不設(shè)預(yù)拱度?？紤]到大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期使用后，中跨下?lián)锨闆r較多，本工程對(duì)主跨中跨跨中預(yù)留60 mm成橋預(yù)拱度，按正弦曲線設(shè)置，在中墩頂順接。

4 抗震分析

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2001）以及《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011）[4]，判定屬于乙類(lèi)橋梁，采用A類(lèi)抗震設(shè)計(jì)方法。根據(jù)勘察報(bào)告，本區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.10g，第一組，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地，地震特征周期值為0.45 s。

地震荷載采用反應(yīng)譜理論計(jì)算，按《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 166—2011第6.3條，分別考慮順橋向、橫橋向、豎向三個(gè)方向的地震作用。進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，選取前60階模態(tài)進(jìn)行計(jì)算組合，組合方式為C Q C法，每個(gè)方向振型參與質(zhì)量均達(dá)到了90%以上。

采用有限元軟件進(jìn)行分析，在E1地震下，墩頂最小軸力為24125kN，順橋向最大彎矩為16372kN·m，橫橋向最大彎矩為9 180 kN·m；墩底最小軸力為49 434 kN，順橋向最大彎矩為12 699 kN，橫橋向最大彎矩為8 038 kN·m。墩柱順橋向以墩頂作為控制截面，E1地震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)。墩柱橫橋向以墩底作為控制截面，E1地震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)。

E2地震下，墩頂最小軸力為40 182 kN，墩底最小軸力為66 086 kN。墩柱順橋向以墩頂作為控制截面，E2地震作用結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性，需考慮剛度折減。墩柱橫橋向以墩底作為控制截面，E2地震作用下結(jié)構(gòu)出于彈性受力狀態(tài)。順橋向剛度折減后再計(jì)算順橋向及橫橋向內(nèi)力，經(jīng)強(qiáng)度驗(yàn)算及變形后抗震計(jì)算滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及現(xiàn)代化交通運(yùn)輸視事業(yè)的快速發(fā)展，大跨徑橋梁建設(shè)日益增多。連續(xù)剛構(gòu)橋綜合了T型剛構(gòu)橋懸臂施工保持體系平衡的特點(diǎn)，同時(shí)又具備連續(xù)梁橋整體上能承受正、負(fù)彎矩的優(yōu)點(diǎn)，故在近四十年間得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。

上橫瀝大橋在設(shè)計(jì)過(guò)程中，參考了國(guó)內(nèi)類(lèi)似跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值，并結(jié)合具體計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。計(jì)算結(jié)果表明，主梁極限承載力能力及短期、標(biāo)準(zhǔn)組合下應(yīng)力都能滿足規(guī)范要求。本橋的計(jì)算結(jié)果，可為同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒。