大角度斜交橋設(shè)計(jì)

毛紅濤

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

在橋梁設(shè)計(jì)中，需要統(tǒng)籌考慮路線、規(guī)劃、地形、河道、周邊環(huán)境等多種因素，難免會遇到一些限制性因素導(dǎo)致橋梁位置及角度無法調(diào)整，這就造成了在實(shí)際工程中，會出現(xiàn)橋梁與河道交叉角度比較大的情況。如何設(shè)計(jì)大角度斜交橋梁是廣大橋梁設(shè)計(jì)人員不得不面對的課題，交通部和部分省院分別頒布了空心板和裝配式預(yù)制小箱梁通用圖，通用圖中最大的斜交角度為45°，對于超過45°以上的橋梁上部結(jié)構(gòu)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)中我們常用的處理大角度斜交橋的方法主要有三種：（1）多幅橋梁錯跨布置，盡量減少每幅墩柱個(gè)數(shù)，每幅橋墩個(gè)數(shù)一樣，讓河道內(nèi)各幅橋相對應(yīng)的墩柱在一條直線上，減少河道內(nèi)墩柱阻水面積，橋梁根據(jù)情況可以采用正交或者斜交。（2）加大橋梁主跨跨度，主跨能夠一跨跨越河道或者被交路，最外側(cè)墩柱盡量靠內(nèi)側(cè)布置，減小斜角橋角度[1]；（3）調(diào)整被交河道或者道路交叉角度，減少斜交角度。上述三種橋梁布置方法都可以解決大角度斜交的問題，但是都存在一些弊端，第一種布跨方式，多幅橋錯跨布置，河道內(nèi)橋墩比較凌亂，對河道也有一定的阻水影響；第二種布跨方式，增大了主跨跨徑，相應(yīng)的增加橋梁結(jié)構(gòu)高度，橋梁規(guī)模和造價(jià)都相應(yīng)的增加；第三種布跨方式調(diào)整被交河道或者道路角度，需要調(diào)整規(guī)劃，若河道調(diào)整角度，還需要增加防沖刷設(shè)施。

針對以上三種大角度斜交橋梁布跨方式，本文根據(jù)具體案例提供了一種利用簡支上部結(jié)構(gòu)的布跨思路。

1 設(shè)計(jì)背景

某市城市郊區(qū)的一條主干道跨越河道，道路全寬58 m，道路斷面按照四幅路設(shè)置，具體劃分為：3 m人行道+6 m非機(jī)動車道+2.5 m側(cè)分帶+16 m機(jī)動車道+3 m中分帶+16 m機(jī)動車道+2.5 m側(cè)分帶+6 m非機(jī)動車道+3 m人行道=58 m；相交河道為城市一條重要防洪河道，河道開口寬度90 m，河道有明顯的河槽與河灘，河槽寬26 m，河道不考慮通航。路線法線方向與河道交叉角度52°，道路在跨越河道位置處在直線段上。河道兩側(cè)用地已經(jīng)開發(fā)，河道無向周邊改移角度的空間。

2 橋梁布跨設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，提出了四種大角度斜交橋布跨方案。方案一橋梁橫向分四幅布置，橫向沿橋梁中心線對稱布置，左半幅橋?qū)挿謩e為9.5 m、17 m，橋梁斜交角度45°，橋梁采用40 m的裝配式預(yù)應(yīng)力連續(xù)小箱梁，主跨一跨跨過主河槽，各幅橋梁縱向錯孔布置，每幅橋墩設(shè)置兩個(gè)墩柱，兩個(gè)墩柱順著河道方向分別與相鄰橋幅對應(yīng)墩柱形成一條直線，見圖1。

圖1 方案一平面布置（單位：m）

方案二橋梁橫向分四幅布置，橫向沿橋梁中心線對稱布置，橋?qū)捙c方案一一致，橋梁采用正交，主跨一跨跨過主河槽，主跨采用48m的現(xiàn)澆連續(xù)梁，各幅橋梁縱向錯孔布置，每幅橋墩設(shè)置兩個(gè)墩柱，兩個(gè)墩柱順著河道方向分別與相鄰橋幅對應(yīng)墩柱形成一條直線，見圖2。

圖2 方案二平面布置（單位：m）

方案三橫向分兩幅布置，兩幅對稱，半幅橋?qū)挒?8 m，橋梁下部斜交角52°，下部墩柱與河道水流方向一致，上部結(jié)構(gòu)采用35 m裝配式采預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，上部小箱梁斜交角度為45°，橋梁主跨一跨跨過主河槽，橋墩墩柱沿水流方向橫向兩幅在一條直線上。橋墩處梁端按照鋸齒形布置，橋臺背墻按照52°設(shè)計(jì)，邊跨小箱梁預(yù)制完成后，單獨(dú)預(yù)制邊跨小箱梁梁端三角形橋面板，小箱梁安裝之后，邊跨梁端線與背墻線平行，見圖3。

圖3 橋面板示意圖（單位：mm）

方案四由方案三衍生，橫向分兩幅布置，兩幅對稱，半幅橋?qū)挒?8 m，橋梁按照斜交角52°布置，墩柱與河道水流方向一致，上部結(jié)構(gòu)采用跨徑35 m，斜交角度52°的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，橋梁主跨一跨跨過主河槽，見圖4。

圖4 方案四平面布置（單位：m）

綜合考慮四個(gè)方案的優(yōu)劣，方案一采用裝配式先簡支后連續(xù)小箱梁，斜交45°，單個(gè)橋墩主河道內(nèi)有4排墩子，橋下墩子看著比較凌亂，河道內(nèi)阻水相對比較大；方案二主跨一跨跨過主河槽，河道內(nèi)阻水相對比較大，橋下墩子看著比較凌亂，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆連續(xù)梁，造價(jià)相對比較高；方案三阻水比較小，上下部斜交角度不一致，導(dǎo)致構(gòu)造比較復(fù)雜，并且上部結(jié)構(gòu)雖然采用45°，但是為了避免墩臺尺寸過大，橫梁與支座需要采用52°，受力與52°相差不大；方案四與方案三相比上下部斜交角度一致，由于斜交角度比較大，受力比較復(fù)雜。通過綜合比較，最終確定選用方案四。

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于橋梁斜交角度比較大，上部結(jié)構(gòu)承受彎剪扭耦合作用，如采用簡支變連續(xù)結(jié)構(gòu)，中橫梁抗扭剛度比較大，對結(jié)構(gòu)抗扭不利，因此上部結(jié)構(gòu)選用簡支結(jié)構(gòu)。上部小箱梁斜交角度52°，跨徑35 m，小箱梁梁高1.8 m，邊梁寬2.85 m，中梁寬度2.4 m，梁與梁之間設(shè)置橋面板濕接縫，濕接縫寬0.688 m，左右幅橋斷面各由7塊中梁和2塊邊梁組成，跨中設(shè)置一道52°的斜橫隔板。中梁內(nèi)設(shè)置五排鋼束，每道腹板內(nèi)設(shè)置一根，除了上面第一排采用5-Φs15.2，其余鋼束均采用6-Φs15.2，邊梁內(nèi)鋼束布置方式與中梁一致，鋼束型號均采用6-Φs15.2。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下部墩臺斜交角度52°，根據(jù)7度區(qū)蓋梁抗震尺寸要求，橋梁蓋梁寬度取1.8 m，高1.8 m，墩柱直徑1.4 m，樁基直徑1.6 m。

橋臺采用柱式臺，橋臺蓋梁寬1.7 m，高1.4 m，橋臺樁基直徑采用1.5 m，在橋臺背墻上設(shè)置一道120型伸縮縫。

3.3 其他構(gòu)造注意事項(xiàng)

由于斜交角度比較大，需要在橋面鈍角位置設(shè)置垂直于鈍角角平分線底面加強(qiáng)鋼筋。在橋墩分孔線位置設(shè)置橋面連續(xù)鋼筋。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算建模概況

由于本橋斜交角度為52°，受力比較復(fù)雜，為了能夠更好的模擬橋梁受力情況，根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)形式，建立上部小箱梁的梁格模型，將每一個(gè)小箱梁離散為一道縱梁，通過橋面梁格、橫梁、橫隔板連接，橋面梁格與每道梁正交，橋面梁格每1 m設(shè)置一道，橋面板只保留水平向慣性距，縱梁建模時(shí)截面增加了濕接縫寬度，修改模型中縱梁截面橫向慣性矩與截面形心位置與預(yù)制截面保持一致[2]，橫梁采用52°斜角，在內(nèi)外側(cè)縱梁外各設(shè)置一道虛擬縱梁，見圖5。同時(shí)建立單梁模型，通過單梁模型與梁格模型對比，分析梁格與單梁的差別，確定單梁模型的適用范圍。

圖5 梁格計(jì)算模型

單梁活載橫向分布系數(shù)需要考慮斜交的影響，《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊-梁橋》給出了鉸接斜板梁斜交角折減系數(shù)，斜交角度越大，折減系數(shù)越大。文中單梁橫向分布系數(shù)計(jì)算方法是在梁格模型上布置車道，根據(jù)橫向最不利汽車荷載布置，計(jì)算出跨中節(jié)點(diǎn)在活載作用下的撓度，同時(shí)計(jì)算單梁跨中節(jié)點(diǎn)在活載作用下的撓度，各片梁梁格模型中跨中撓度與單梁跨中撓度的比值即為斜橋單梁的橫向分布系數(shù)[3]。

施工過程模擬，按照實(shí)際施工工況，預(yù)制箱梁，張拉鋼束，吊裝，現(xiàn)澆濕接縫，橋面鋪裝。

一期恒載：自重、鋼束預(yù)應(yīng)力；二期恒載：橋面鋪裝：4.76 kN/m2，內(nèi)側(cè)虛擬梁加載：防撞護(hù)欄5 kN/m，外側(cè)虛擬梁：人行道基座+人行道欄桿11 kN/m。

汽車荷載：城-A，六車道；人群荷載3.5 kN/m2。橋梁結(jié)構(gòu)體系升溫30℃，體系降溫29℃，溫度梯度按照規(guī)范取值。

4.2 梁格模型計(jì)算成果

（1）施工階段驗(yàn)算[4]

施工階段最大壓應(yīng)力不大于δtcc≤0.70 f‘ck=0.7×26.8=18.76 MPa，施工階段最大壓應(yīng)力為15.2 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，施工階段滿足要求。

（2）正常使用狀態(tài)計(jì)算。

正常使用狀態(tài)頻遇組合下，底板未出現(xiàn)拉應(yīng)力，持久狀況組合下頂板最大壓應(yīng)力為10.4 MPa。均能滿足規(guī)范要求。

（3）截面彎剪扭承載能力計(jì)算

由于橋梁斜度比較大，每片梁扭矩不可忽略，單片梁同時(shí)承擔(dān)彎矩、扭矩、剪力，根據(jù)規(guī)范要求需要對截面進(jìn)行彎剪扭計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，扭矩由跨中向鈍角方向增大，在端部又減小的趨勢，端部梁腹板加厚，箍筋間距0.1 m，直徑16 mm，能夠滿足剪扭承載能力要求，跨中部分箍筋間距0.15 m，直徑16 mm，同時(shí)需要在腹板外圈加一根直徑12 mm的鋼筋，與箍筋并排，與頂?shù)装邃摻罱壴?，增加截面抗扭承載能力。

4.3 梁格模型與單梁計(jì)算對比

通過對比模型在恒載、頻遇組合、標(biāo)準(zhǔn)組合下的跨中截面彎矩與扭矩及應(yīng)力（見表1、表2），分析產(chǎn)生差異的原因。

表1 跨中截面內(nèi)力

表2 跨中截面應(yīng)力

在自重與二期恒載作用下，跨中截面彎矩單梁比梁格大11%~24%，梁格中扭矩比單梁要大很多，每片梁彎矩與扭矩相加，單梁與梁格相差不大，預(yù)應(yīng)力彎矩梁格與單梁相差不大。頻遇組合與標(biāo)準(zhǔn)值組合下跨中頂?shù)捉孛媪焊衽c單梁應(yīng)力差值在14%以內(nèi)。

梁格模型由于設(shè)置了橫梁、橫隔板與橋面板，橋梁在單獨(dú)受力的同時(shí)，又受其他梁的影響，每片梁的扭矩要比單梁大很多，彎矩相應(yīng)比單梁小很多。通過對比，單梁模型可以作為簡化截面正應(yīng)力計(jì)算，但是單梁模型扭矩計(jì)算結(jié)果不能直接采用。相對于大角度斜交梁，單梁可以反映出來一部分受力特性，但是需要梁格模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

通過調(diào)整支座剛度，彎矩和扭矩分配比例也相應(yīng)調(diào)整，支座剛度也是影響箱梁彎矩與扭矩分配比例的一個(gè)重要因素，支座剛度越大，彎矩越小，扭矩越大。

5 結(jié) 語

（1）文中提出大角度斜交橋方案，采用裝配式簡支結(jié)構(gòu)，斜交梁的角度不能超出45°太多，否則結(jié)構(gòu)處理比較復(fù)雜，受力特性變化也很大。

（2）支點(diǎn)位置設(shè)置雙支座單梁斜橋，雖然是簡支梁，也是超靜定結(jié)構(gòu)，在恒載作用下也會產(chǎn)生扭矩，扭矩的大小與支座剛度有關(guān)，剛度越大，扭矩越大，彎矩相應(yīng)變小。

（3）橋跨最大彎矩值不在跨中，最大彎矩向鈍角方向偏移。

（4）單梁模型可以反映出一部分大角度斜交梁的受力特性，截面正應(yīng)力與梁格模型相差不大，但是扭矩與梁格模型相差比較大，需要進(jìn)行梁格模型驗(yàn)證，對于大角度斜橋，需要提高結(jié)構(gòu)抗扭承載能力。