變截面預應力混凝土現澆箱梁在跨線橋梁中的應用

董紅

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

1 概述

緯一路是綜合保稅區(qū)封關區(qū)內的東西向主干路，布設在綜保區(qū)封關區(qū)中央，是聯系封關區(qū)內口岸作業(yè)區(qū)、保稅物流區(qū)與保稅加工區(qū)等功能片區(qū)的主要通道，道路等級為城市主干路，全寬24.5 m。項目區(qū)內設一座橋梁跨越緯二路及現狀西環(huán)路，形成溝通項目南北兩側用地的重要通道。

現狀西環(huán)路寬32.5 m（見圖1），橫斷面布置為3 m人行道+12.5 m機動車道+1.5 m中分帶+12.5 m機動車道+3 m人行道=32.5 m。橋位處緊鄰平交口，交叉角度73°。橋位處道路無拓寬規(guī)劃。

圖1 被交路標準橫斷面（單位：m）

緯二路及巡邏道為園區(qū)內新建道路，利用橋孔下穿。緯二路為支路，寬度為9.5 m，通行凈空按不小于5.0 m控制；緯二路外側設巡邏專用道，寬度為5 m，通行凈空按不小于5.0 m控制。

橋梁需連跨南側園區(qū)內支路、園區(qū)內巡邏專用道、某西環(huán)路及東北地塊內巡邏專用道。

2 橋梁方案比選

橋梁主要應滿足保稅區(qū)建設發(fā)展中車流和人流的交通需要，使交通流能順暢地跨越某西環(huán)路南北兩側用地，促進保稅區(qū)的經濟發(fā)展。同時橋梁基于“安全、適用、經濟、美觀和有利于環(huán)保”的原則，做到技術可行、經濟合理，并盡量做到標準化、裝配化和施工機械化。在保證工程質量的前提下，加快工程建設進度，降低造價。

大橋總體方案根據設計原則及具體情況分別就混凝土現澆箱梁和鋼箱梁方案進行了比選。

方案一：變截面預應力混凝土現澆箱梁（見圖2）。全橋跨徑布置為[3×30+（33+55+33）+2×（3×30）+3×30]m，總長486.5 m。主橋采用（33+55+33）m變截面預應力混凝土現澆箱梁，引橋根據平面線形采用30 m預應力混凝土現澆箱梁和30 m裝配式預應力混凝土箱形連續(xù)梁。下部結構采用花瓶墩、U形臺、鉆孔灌注樁基礎。

方案二：鋼箱梁（見圖3）。全橋跨徑布置為[3×30+（33+55+33）+5×30+3×30]m，總長 456.5 m。主橋采用（33+55+33）m鋼箱梁，引橋結構形式與主橋相同。下部結構采用花瓶墩、U形臺、鉆孔灌注樁基礎。

圖2 現澆箱梁方案（單位：cm）

圖3 鋼箱梁方案（單位：cm）

2.1 結構型式

方案一采用變截面預應力混凝土現澆箱梁，整體性及耐久性好，造型好，行車平順舒適，如圖4所示。

圖4 方案一效果圖

方案二采用鋼箱梁，梁高較低，橋梁規(guī)模較小，便于在工廠加工拼裝，如圖5所示。

圖5 方案二效果圖

2.2 施工難易程度

方案一橋梁上部采用支架施工及預制吊裝施工，施工技術成熟，橋梁下部鉆孔灌注樁采用鉆機成孔施工，總體施工難度小。

方案二鋼箱梁采用吊裝拼接方法施工，現澆箱梁采用滿堂支架施工，預制箱梁采用預制吊裝施工，施工技術成熟，橋梁下部鉆孔灌注樁采用鉆機成孔施工，鋼箱梁總體施工難度略大。

2.3 對西環(huán)路交通的影響程度

考慮到南側地塊面積較大，設計建議南側地塊分區(qū)施工，先行修建緯一路的南半幅，并鋪筑便道連通西環(huán)路，將其作為南側地塊各分區(qū)的進出道路及西環(huán)路的分流道路，如圖6所示。

圖6 施工期交通組織

方案一主橋在施工上部結構時，由緯一路南半幅承擔大型車的通行，主橋下搭設門洞供小型車及慢行交通通行。供小型車通行的門洞凈高為4.5 m，凈寬為7.5 m；供慢行交通通行的門洞凈高為2.5 m，凈寬為3.5 m。對被交路交通影響較小。

方案二鋼箱梁采用吊裝拼接方法施工，對被交路交通影響較小。

2.4 運營期養(yǎng)護情況

方案一混凝土結構，工作量小。

方案二鋼結構需定期養(yǎng)護，工作量大。

2.5 施工工期

方案一混凝土結構比方案二鋼箱梁施工工期略長。

2.6 綜合建安費

方案二鋼箱梁建安費是方案一混凝土結構的1.25倍，現澆箱梁建安費較低。

綜上，根據對比結果，變截面預應力混凝土現澆箱梁整體性好，行車平順舒適，造價稍低，養(yǎng)護工作量小，后期維護便捷，最終確定大橋采用（33+55+33）m變截面預應力混凝土現澆箱梁方案。

3 橋梁結構設計

3.1 構造設計

（1）主橋上部為（33＋55＋33）m 三跨變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁，橋寬24.5 m，橫斷面構造為單箱三室結構，箱梁支點高度3.3 m，跨中2.0 m,箱梁高度按圓曲線變化。中橫梁厚度為2.5 m，端部邊橫梁厚度為1.8 m。箱梁采用縱向、橫向預應力體系。

（2）箱梁截面頂板寬24.5 m（見圖7），翼緣懸臂長度為3.5 m，腹板根部厚度60 cm；底板寬13.45～15.4 m，厚度按半徑為319.281的圓曲線變化，由跨中的0.25 m變化至距主墩中心線1.85 m處的0.536 m；腹板厚度0.45～0.7 m。

圖7 標準橫斷面示意圖（單位：cm）

（3）主橋連續(xù)箱梁采用少支架施工，施工時應注意盡量減少對下穿被交路通行的影響。

主橋施工步驟主要如下：立模板，綁扎鋼筋，安裝箱梁預應力管道，現澆箱梁混凝土。待混凝土強度和彈性模量達到設計強度的90%以上且齡期不小于7 d后，再依次對稱張拉預應力束，壓緊并澆筑封錨處混凝土，最后施工橋面系，成橋。

縱向計算使用單梁法計算，將箱梁沿縱向劃分成1.0 m左右的梁單元（見圖8）。根據實際施工階段過程劃分計算階段。計算結構施工、運營階段的位移、內力和應力；按規(guī)范規(guī)定的荷載組合驗算梁體在承載力極限狀態(tài)下的承載力是否滿足規(guī)范要求，正常使用狀態(tài)下的使用性能是否滿足規(guī)范要求。

3.2 結構計算

變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁縱向結構按全預應力混凝土構件計算，橫向橋面板按A類預應力混凝土構件計算。

3.2.1 縱向計算

縱向建模計算時，不考慮橋面板橫向預應力效應，僅將該部分鋼筋及其預應力效應作為安全儲備。

圖8 結構離散模型

按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）進行作用效應組合。參與組合的主要作用為永久作用（結構自重、橋面鋪裝、混凝土收縮及徐變作用、基礎變位作用）、可變作用（汽車荷載、汽車沖擊力、溫度作用）。

從計算結果[5]可以看出：

（1）施工階段法向應力驗算（短暫狀況構件應力驗算）。

截面邊緣混凝土的法向壓應力[1]應符合下式規(guī)定：

截面邊緣混凝土的法向拉應力[5]應符合下式規(guī)定：

法向壓應力最大值11.107 MPa＜容許值18.144 MPa，法向拉應力最小值1.315 MPa＞容許值-1.484 MPa，均滿足設計規(guī)范要求。

（2）持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算。

從圖9中可以看出，各截面的彎矩（剪力、抗扭）設計值×結構重要性系數，均小于構件彎矩（抗剪、抗扭）承載能力設計值[5]。各截面驗算均滿足規(guī)范要求。

圖9 承載能力驗算包絡圖

（3）持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算。

撓度計算考慮撓度長期增長系數后中跨長期撓度13 mm，邊跨長期撓度4.6 mm，遠小于允許撓度（1/600L），滿足要求。

使用階段正截面抗裂和斜截面抗裂驗算對于全預應力構件，在作用（荷載）短期效應組合下應符合下列條件：

分段澆筑或砂漿接縫的縱向分塊構件[5]：

現場澆筑（包括預制拼裝）構件[5]：

從圖10中可以看出，結果均未超過容許值，且有一定的富余，滿足規(guī)范要求。

圖10 正常使用極限狀態(tài)驗算包絡圖

（4）持久狀況構件應力驗算。

經計算，受拉區(qū)預應力鋼筋應力均在容許應力范圍內，不再展開詳述。

正截面混凝土法向壓應力受壓區(qū)混凝土的最大壓應力（見圖11）14.15 MPa＜容許值16.2 MPa，滿足設計要求。

圖11 正截面混凝土法向壓應力驗算包絡圖

斜截面最大主壓應力值（見圖12）14.146 MPa＜容許值19.44 MPa，滿足設計要求。

圖12 混凝土主壓應力驗算包絡圖

綜上，對主橋上部結構縱向進行了施工流程驗算、持久狀況承載力極限狀態(tài)驗算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算、持久狀況構件應力驗算，計算結果均滿足設計規(guī)范要求[5]。

3.2.2 橫向計算

對橋面板采用跨中單位長度箱梁進行框架模型計算（見圖13），邊界條件為腹板底部連續(xù)支承。縱向單元長度取1.0 m。

圖13 橫向離散模型

汽車作用時，在車行道范圍內橋面板車輪荷載分布寬度根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）計算。

計算結構施工、運營階段的位移、內力和應力，按《公路橋涵設計通用規(guī)范》規(guī)定的荷載組合，梁體在承載力極限狀態(tài)下的承載力、正常使用狀態(tài)下的使用性能驗算結果均滿足規(guī)范要求。

3.3 施工要點

（1）箱梁設計采用搭支架現澆，支架必須保證有足夠的剛度、強度和穩(wěn)定性，根據具體的地質情況，支架下設置合理的基礎，支架必須進行預壓（120%恒載），以消除其非彈性變形及基礎沉降，待支架充分穩(wěn)定達到連續(xù)3 d累計沉降不超過3 mm，且預壓時間不少于7 d后，再澆筑箱梁。

（2）箱梁澆筑應從跨中向墩頂方向澆筑，最后澆筑墩頂兩側各3 m左右范圍內梁段，縱向一聯箱梁一次澆筑成功，豎向建議按底板、腹板（包括橫隔板）→頂板順序澆筑。

（3）主橋鋼束按如下順序張拉：縱向腹板鋼束（先上后下）、縱向頂板鋼束、縱向底板鋼束、橋面板橫橋向鋼束?？v向頂、底板鋼束的張拉原則為先長后短。同型號鋼束必須左右對稱張拉。

4 結語

跨線橋主要控制因素為被交路的現狀及規(guī)劃情況，設計時應加強現場測量與調查，了解區(qū)域水文、地質情況，跨越道路的現狀及近、遠期規(guī)劃情況。合理確定橋跨布置，對于跨越等級公路橋梁布孔時盡量一孔跨越；對于非主孔部分，在滿足不同功能的前提下，盡量選擇合理的同一跨徑來布設，以方便施工，降低造價。橋梁上部結構應盡量選用耐久性較好的預應力混凝土結構。

本文詳述了變截面預應力混凝土現澆箱梁在跨橋橋梁應用中的優(yōu)勢，并對結構設計及計算結果進行了詳細的分析，計算結果均滿足設計要求。對跨線橋梁的設計與發(fā)展有很好的借鑒作用。