山區(qū)PC梁橋工程設(shè)計(jì)研究

中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075

在橋梁建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常遇到地形起伏的情況，我國(guó)針對(duì)這種情況最常采用的結(jié)構(gòu)是PC梁橋。PC梁橋是指預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，該梁橋采用的材料是普通混凝土，通過(guò)給梁橋施加預(yù)應(yīng)力形成PC梁橋[1]。這種結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、抗彎性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)。我國(guó)PC梁橋的建設(shè)主要集中在西部地形較陡、起伏較大的地區(qū)[2]。該梁橋的廣泛應(yīng)用有利于縮小東西部的發(fā)展差距，促進(jìn)地域溝通。故結(jié)合我國(guó)地理環(huán)境特征分析，PC梁橋的設(shè)計(jì)具有重要的意義和價(jià)值。然而我國(guó)PC梁橋設(shè)計(jì)水平還有待提高，對(duì)于PC梁橋的認(rèn)知還有待補(bǔ)充，為此，文章主要針對(duì)PC梁橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，為我國(guó)橋梁建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 PC梁橋的設(shè)計(jì)原則及流程

PC梁橋的組成與普通橋梁相同，可以分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座系統(tǒng)、附屬設(shè)施。按材料分類可以分為鋼筋混凝土梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋、鋼橋、組合梁橋[3]。

由于橋梁所處的地理環(huán)境不同，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中的側(cè)重點(diǎn)也不同。山區(qū)橋梁所處的地理環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)應(yīng)主要集中在下部結(jié)構(gòu)，主要是橋臺(tái)和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，需要全方位、多因素考慮。下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響上部結(jié)構(gòu)，當(dāng)下部結(jié)構(gòu)土質(zhì)較松軟，需對(duì)土體進(jìn)行相應(yīng)處理時(shí)，應(yīng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，同時(shí)做好橋與路、橋與隧道的連接。

1.1 設(shè)計(jì)原則

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)發(fā)展觀的繼續(xù)深化，以及資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會(huì)的建立，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)。在山區(qū)橋梁建設(shè)過(guò)程中應(yīng)盡可能減少對(duì)原地形地貌的破壞，要因地制宜，做到公路橋梁與自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一。因此，在橋梁建設(shè)過(guò)程中應(yīng)遵循技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)美觀的原則，做到保護(hù)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展。

1.2 設(shè)計(jì)流程

在PC梁橋的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循以下流程：首先對(duì)PC梁橋進(jìn)行參數(shù)確定；然后確定邊界條件建立微分方程，對(duì)橋梁進(jìn)行區(qū)域劃分，分節(jié)分析；最后利用微積分原理進(jìn)行計(jì)算，對(duì)問(wèn)題細(xì)化求解，達(dá)到對(duì)橋梁進(jìn)行單元節(jié)點(diǎn)分析的目的。在山區(qū)PC梁橋的設(shè)計(jì)中應(yīng)注重以下內(nèi)容。

（1）由于地質(zhì)條件的限制，在山區(qū)PC梁橋建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)做好前期橋位的地質(zhì)勘探。相比非山區(qū)梁橋，山區(qū)梁橋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在下部結(jié)構(gòu)，因?yàn)橄虏拷Y(jié)會(huì)影響上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、可靠度以及橋梁整體結(jié)構(gòu)。因此，在山區(qū)PC梁橋建設(shè)過(guò)程中應(yīng)重視橋位的選擇。

（2）在山區(qū)PC梁橋的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重視與自然環(huán)境以及相連構(gòu)造物的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。例如，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意與道路以及隧道連接，保證橋梁與道路的高程一致，從而避免出現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象。要保證橋梁與隧道的連接，保證二者的協(xié)調(diào)性以及高程一致。

（3）在山區(qū)橋梁建設(shè)過(guò)程中應(yīng)注重橋位與自然環(huán)境相融合，盡量采用材質(zhì)輕、占地少的橋臺(tái)，減少對(duì)原有地面的開(kāi)挖量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

（4）山區(qū)PC梁橋多采用懸臂現(xiàn)澆的施工方法，由于受環(huán)境以及溫度變化的影響較大，因此要保證施工質(zhì)量和精度，加強(qiáng)施工監(jiān)控。

2 PC梁橋設(shè)計(jì)分析

2.1 方案比選

由于PC梁橋的設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)受到眾多因素的影響，因此需進(jìn)行方案比選。每種方案受地質(zhì)條件約束越大，則對(duì)基礎(chǔ)要求越高，受地理環(huán)境的影響也越大。

地質(zhì)條件：橋梁線位受斷層F1影響，橋梁主跨有巖溶發(fā)育；受斷層F2的影響，樁位巖石呈礫狀，巖石裂隙發(fā)育，巖體較破碎。

地理環(huán)境：文章案例橋梁線位處于地理環(huán)境較為復(fù)雜的山區(qū)，線位經(jīng)過(guò)段有溝澗、水田以及地下河等，橋梁一端與隧道相接。

橋墩高度：案例橋梁的主墩高度多為60～110m，橋墩較高。

通過(guò)對(duì)以上地質(zhì)條件、地理環(huán)境、橋墩高度等的綜合分析，文章選擇以主墩為空心墩的PC連續(xù)剛構(gòu)橋。

2.2 橋梁總體概況

研究采用的是PC連續(xù)剛構(gòu)橋，設(shè)計(jì)荷載采用公路-Ⅰ級(jí)，橋面凈寬為23.5m，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/300，孔徑分布65m+3×120m+65m。橋梁的截面形式為單箱單室的變截面，橋梁主墩為空心墩。主墩高度分別為83m、106m、96m、60m。

2.3 建立模型

永久作用：永久作用中一期恒載為箱梁結(jié)構(gòu)；二期恒載取值為65kN/m，預(yù)應(yīng)力采用鋼絞線fpk=1860MPa，Ep=1.95×105MPa。

可變作用：汽車荷載采用公路-I級(jí)，溫度作用取值時(shí)體系升溫和降溫按25℃計(jì)算，主梁梯度溫差按照橋梁規(guī)范規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，升溫梯度T1為14℃、T2為5.5℃；降溫梯度T1為-7℃、T2為-2.75℃

作用組合：（1）恒載；（2）恒載+汽車荷載；（3）恒載+支座沉降+汽車荷載+升溫梯度+體系升溫；（4）恒載+支座沉降+汽車荷載+降溫梯度+體系降溫。

文章結(jié)合橋梁自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及有限元計(jì)算軟件的特性采用《橋梁博士》軟件對(duì)上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析；用Midas軟件對(duì)橋梁進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性的分析等。此次模型建立過(guò)程中梁?jiǎn)卧步?08個(gè)、節(jié)點(diǎn)331個(gè)。有限元模型如圖1所示。

圖1 PC梁橋模型圖

2.4 模型分析

（1）自振特性。通過(guò)有限元建立的模型進(jìn)行橋梁的自振特性分析，前四階振型結(jié)果如表1所示。通過(guò)對(duì)橋梁前四階的自振特性進(jìn)行分析可以看出，PC梁橋采用高墩結(jié)構(gòu)時(shí)，因?yàn)楦叨战Y(jié)構(gòu)的柔性較大，剛度較小，所以振型主要表現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)。前兩階主要是橋梁橫向和縱向的偏移，而三、四階主要出現(xiàn)的是扭轉(zhuǎn)。

表1 橋梁自振特性

（2）屈曲穩(wěn)定性。在橋梁自身重力、橋面鋪裝荷載、預(yù)應(yīng)力的作用下，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲穩(wěn)定分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，前四階的屈曲模態(tài)主要表現(xiàn)為高墩屈曲，這說(shuō)明高墩的剛度對(duì)屈曲穩(wěn)定系數(shù)的影響較大。

表2 橋梁屈曲穩(wěn)定性

2.5 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）正常使用狀態(tài)抗裂驗(yàn)算。通過(guò)有限元建立的模型進(jìn)行橋梁在短期效應(yīng)組合下的抗裂驗(yàn)算，最終得出的結(jié)果如表3所示。由表3可得，PC梁橋在短期效應(yīng)組合下的抗裂驗(yàn)算滿足要求。同理對(duì)正常使用狀態(tài)下的應(yīng)力及撓度進(jìn)行驗(yàn)算，最終結(jié)果顯示PC梁橋的應(yīng)力和撓度均滿足要求。

表3 PC梁抗裂驗(yàn)算表

（2）極限承載狀態(tài)抗剪驗(yàn)算。通過(guò)對(duì)PC梁橋主梁在極限承載狀態(tài)下斜截面抗剪性能進(jìn)行驗(yàn)算得到以下結(jié)果：在梁橋墩頂位置的最大剪力為-20220.6kN，抗剪強(qiáng)度為-39704.1kN。因此斜截面抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)論

（1）依托我國(guó)某PC梁橋進(jìn)行模擬計(jì)算分析可得，PC梁橋采用高墩結(jié)構(gòu)時(shí)，梁橋自振特性前兩階時(shí)主要是橋梁橫向和縱向的偏移，而三、四階時(shí)主要出現(xiàn)的是扭轉(zhuǎn)。在屈曲穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)PC梁表現(xiàn)為高墩屈曲，說(shuō)明高墩的剛度對(duì)屈曲穩(wěn)定系數(shù)影響較大。

（2）對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果顯示，PC梁橋在正常使用狀態(tài)下的抗裂性能，以及在極限承載狀態(tài)下的斜截面抗剪性能均滿足要求。

綜上所述，文章對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行模擬分析以及上部結(jié)構(gòu)計(jì)算，最終計(jì)算結(jié)果表明該梁橋設(shè)計(jì)合理。