預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)與施工淺談

黃梟

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610061)

目前，大跨徑的橋梁都多采用連續(xù)剛構(gòu)體系，連續(xù)剛構(gòu)橋梁具有跨越能力大、抗震性能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛度好、行車舒適、施工簡(jiǎn)單、養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)廣泛運(yùn)用于公路和城市橋梁，尤其是在跨越山谷、河流、鐵路、高速等路段，特別是100～300m跨越能力的橋型中，連續(xù)剛構(gòu)具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。下面結(jié)合渠縣流江河景觀橋設(shè)計(jì)為例，談?wù)勵(lì)A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)概況

渠縣流江河景觀橋?yàn)殡p幅橋，橋?qū)挒?2m，橋長(zhǎng)為428m，橋型布置為1×30m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁+(65+110+65)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+5×30m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁。主橋主墩采用雙薄壁墩+承臺(tái)+樁基礎(chǔ)；交界墩及引橋橋墩為柱式墩，樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)采用樁帽臺(tái)。

2 主梁構(gòu)造與尺寸擬定

1)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁的邊中跨比值一般為0.54～0.6，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理的選擇邊中跨比值，可以減小墩身的彎矩，使主墩基本上沒(méi)有恒載偏心彎矩，根部梁高一般采用主跨跨徑的1/15～1/18，跨中梁高宜采用主跨跨徑的1/30～1/55，一般跨中梁高主要集中在主跨跨徑的1/40～1/50，通常小跨徑取大值。

本橋主橋采用65+110+65m三跨連續(xù)剛構(gòu)，邊中跨比值為0.59，合理優(yōu)化了邊中跨比值，減短了主跨跨徑和邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度，節(jié)省了造價(jià)，降低了施工難度。箱梁根部梁高H=6.8m，H/L=1/16.18，跨中及端頭梁高H=2.8m，H/L=1/39.29。

2)箱梁的梁底曲線通常都是采用1.8次拋物線或二次拋物線，但對(duì)于主跨跨徑大于150m的大跨徑箱梁，一般則采用1.5～1.8次拋物線。

本橋的箱梁梁高和底板厚度均采用1.8次拋物線變化，1.8次拋物線線型最符合變截面連續(xù)剛構(gòu)的彎矩變化規(guī)律，可充分利用截面抗彎剛度，減輕上部結(jié)構(gòu)自重，減少造價(jià)。

3)箱形截面可設(shè)計(jì)為單箱單室或單箱多室，橋面寬度小于18m，通常截面形式采用單箱單室，而橋面寬度大于18m，則采用單箱多室的截面形式或采用分幅建造。一般單箱單室的箱梁底板寬度都控制在8.5m以內(nèi)，且箱室的長(zhǎng)短邊的比值不宜大于4，否則應(yīng)采用多箱室。

箱梁的懸臂板長(zhǎng)度及腹板間距是調(diào)節(jié)橋面板彎矩的主要手段，應(yīng)合理的確定懸臂板長(zhǎng)度及箱室的劃分，使橋面板的正負(fù)彎矩相互協(xié)調(diào)，同時(shí)應(yīng)考慮懸臂板板厚和是否設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力等因素。通常不設(shè)橋面板橫向預(yù)應(yīng)力的箱梁，懸臂板長(zhǎng)度一般取1.5～3m，設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力的懸臂板長(zhǎng)度一般為3～4.5m。

本橋橋面寬度為32m，采用分幅設(shè)計(jì)，減小了橋梁寬跨比值，有效的減小了橫向撓曲，有利于保證箱梁的縱向剛度。半幅橋?qū)挒?5.45m，采用單箱單室斷面形式，其中箱底寬8.15m，兩側(cè)懸臂翼緣板寬3.65m(見(jiàn)圖1)，翼板寬與箱梁底寬比值為0.448，保證箱梁截面橫向受力明確合理，使得截面橫向支點(diǎn)處負(fù)彎矩與截面跨中正彎矩值接近，最大限度利用混凝土截面的橫向抗彎能力，保證了橋梁承受偏心荷載時(shí)的抗扭剛度。

圖1 主橋跨中、根部主梁斷面(單位：cm)

4)一般箱梁頂板最小厚度28cm，底板最小厚度30cm，懸臂板端最小厚度18cm，腹板最小厚度50cm，結(jié)構(gòu)尺寸除了要滿足受力要求，還需要滿足通過(guò)和錨固預(yù)應(yīng)力鋼束的構(gòu)造要求。箱梁的剛度應(yīng)采用漸變，避免應(yīng)力集中，如0號(hào)塊與1號(hào)塊腹板厚度、底板厚度、頂板厚度宜通過(guò)倒角過(guò)度，在腹板漸變處宜設(shè)置漸變段，漸變段一般為一個(gè)節(jié)段。

本橋箱梁的腹板厚度采用分段設(shè)置不同厚度，保證截面抗剪及抗彎能力，依次由85cm漸變至70cm，再由70cm漸變至55cm，漸變段均在一節(jié)段內(nèi)實(shí)現(xiàn)，方便施工，節(jié)約施工立模時(shí)間。

5)箱梁梁段分塊長(zhǎng)度的選取：0號(hào)塊的長(zhǎng)度主要是考慮拼裝掛籃所需要的工作空間，經(jīng)查閱一些既有橋梁的掛籃設(shè)計(jì)施工工藝，同時(shí)參考了以往同類型橋梁的設(shè)計(jì)來(lái)最終確定的。0號(hào)塊的長(zhǎng)度也不宜過(guò)長(zhǎng)，否則造成支架現(xiàn)澆的難度加大，常規(guī)一般控制在9～12m。0號(hào)塊橫隔板的設(shè)置也應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，方便設(shè)計(jì)與施工。箱梁梁段分塊應(yīng)最大限度地模擬施工進(jìn)度，同時(shí)應(yīng)考慮各個(gè)梁段重量趨于均衡，梁段分塊種類不宜過(guò)多，一般分成2～3類。

3 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

1)鋼束布置原則，①頂?shù)装蹇v向預(yù)應(yīng)力鋼束的布置應(yīng)盡可能靠近腹板，并通過(guò)平彎和豎彎錨固在頂?shù)装迮c腹板的交界處，有利于局部承壓和減小縱向預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲所產(chǎn)生的橫向內(nèi)力。錨固齒塊應(yīng)與腹板連成整體，底板齒塊一般不宜跨節(jié)段設(shè)置；②腹板預(yù)應(yīng)力鋼束的布置應(yīng)對(duì)稱于腹板，其錨固點(diǎn)一般位于距箱梁頂面2/3H以下的位置；③橫豎向預(yù)應(yīng)力布置與縱向預(yù)應(yīng)力不交叉并滿足空間距離要求；④鋼束錨墊板之間的距離、錨墊板與結(jié)構(gòu)邊緣的距離既要滿足千斤頂張拉工作的最小空間，又要保證混凝土有足夠的局部承壓強(qiáng)度；⑤保證鋼束與箍筋盡量不打架，在不能避免的情況下，交叉點(diǎn)盡量靠近剪力零點(diǎn)。

2)本橋箱梁采用縱向、橫向、豎向三向預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)，根據(jù)各施工階段的結(jié)構(gòu)體系和荷載情況，合理的確定了預(yù)應(yīng)力的預(yù)期目標(biāo)，并且保證了在使用階段結(jié)構(gòu)受力達(dá)到理想狀態(tài)。通過(guò)合理優(yōu)化的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，減輕了結(jié)構(gòu)自重，使結(jié)構(gòu)美觀輕巧，從而節(jié)約了混凝土和鋼材用量。

4 橋墩設(shè)計(jì)

主墩與主梁采用墩梁固結(jié)形式，一方面在豎向作用下減小了跨中正彎矩，跨中截面相應(yīng)減小。另一方面，墩梁固結(jié)的整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，抗扭能力大，較好的滿足了懸臂施工的抗風(fēng)要求，且不存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。

連續(xù)剛構(gòu)橋的主墩高度一般應(yīng)大于主跨跨徑的1/10，且多采用雙肢薄壁墩，當(dāng)墩高較大時(shí)，墩身也可采用箱型截面，在滿足抗彎和穩(wěn)定的前提下，使橋墩具有較小的抗推剛度，以降低溫度作用、混凝土收縮徐變和地震力的不利影響。

當(dāng)兩個(gè)主墩高度相差不大，可采用相同的壁厚和雙肢間距。若主墩高度相差較大，為保證上部結(jié)構(gòu)在溫度、混凝土收縮徐變等引起的兩主墩墩頂縱向變形相當(dāng)，使主墩的抗推剛度接近，則需要采用不同的壁厚和雙肢間距，使結(jié)構(gòu)整體受力合理、經(jīng)濟(jì)。

由于溫度與混凝土收縮徐變等將產(chǎn)生次彎矩，當(dāng)主墩較矮或抗推剛度較大時(shí)，在墩頂容易出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，應(yīng)采取相應(yīng)的措施來(lái)調(diào)節(jié)主墩受力。

1)在滿足抗彎和穩(wěn)定的前提下，減小墩身順橋向厚度和雙肢薄壁間距;2)采用群樁基礎(chǔ)，計(jì)入樁基柔度對(duì)墩身的影響;3)邊跨合攏前后對(duì)主梁進(jìn)行加卸載，以改善墩的受力;4)中跨合攏前施加頂推力，以改善墩的受力;5)將中跨底板預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)束分階段錨固，分別在中跨合攏前后錨固，以減小底板束產(chǎn)生的次彎矩、梁端壓縮變形和混凝土收縮徐變內(nèi)力。

5 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

1)為避免應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力能夠順暢傳遞，箱梁做了倒角處理，避免出現(xiàn)小于90度的尖角，并順倒角設(shè)置分布鋼筋。

2)在頂板鋼束曲線段設(shè)置“π”形吊筋，以抵抗頂板束曲線段徑向分力。底板上下層橫向構(gòu)造鋼筋通過(guò)蹬筋連成整體骨架，底板和腹板鋼束曲線段設(shè)置閉合防崩鋼筋，防止底板和腹板劈裂和崩裂破壞。

3)箱梁橫隔板上的人孔一般設(shè)計(jì)成帶有直線或圓弧形倒角的矩形孔洞，并保證施工及檢修設(shè)備和人員能夠順利通過(guò)人孔。底板上的人孔通常為圓形，一般設(shè)置在梁端附近。

4)為減少箱梁內(nèi)外溫度差的影響，在箱梁每個(gè)節(jié)段的腹板上設(shè)置Φ100mm的通氣孔，孔洞處設(shè)置鋼絲網(wǎng)防止飛禽進(jìn)入，污染箱梁內(nèi)環(huán)境。

5)為防止箱梁內(nèi)施工及運(yùn)營(yíng)中可能的積水，在箱梁內(nèi)每個(gè)箱室相對(duì)最低點(diǎn)的底板分別設(shè)置一個(gè)Φ100mm的泄水孔，并在孔洞上設(shè)置鋼絲網(wǎng)，以避免雜物堵塞。

6 計(jì)算與分析

6.1 計(jì)算中需重點(diǎn)考慮的作用

1)結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力，設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)形成的過(guò)程和狀態(tài)，應(yīng)按施工順序逐步計(jì)算結(jié)構(gòu)因各個(gè)荷載(作用)產(chǎn)生的內(nèi)力效應(yīng)并予以疊加，并計(jì)入混凝土收縮徐變的影響，形成永久作用效應(yīng)，使計(jì)算與實(shí)際施工過(guò)程相符合;2)掛籃，現(xiàn)大多采用輕型掛籃，主要形式有三角形掛籃和菱形掛籃，一般取節(jié)段重的0.4倍左右;3)活載，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體性縱向荷載計(jì)算時(shí)，除了考慮沖擊系數(shù)外，應(yīng)考慮1.15的偏載系數(shù)，以控制剪力滯效應(yīng)的應(yīng)力增幅;4)溫度，溫度作用值應(yīng)按現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定取用，并計(jì)算結(jié)構(gòu)的均勻升溫或降溫效應(yīng)，以及溫度梯度引起的內(nèi)力;5)徐變，應(yīng)充分考慮混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋，除施工階段天數(shù)的累計(jì)，還應(yīng)考慮后期結(jié)構(gòu)下?lián)?，一般考慮10～20年左右收縮徐變的影響;6)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)變位，主要是根據(jù)地質(zhì)條件確定基礎(chǔ)變位，100m跨左右經(jīng)驗(yàn)取值主墩2cm，邊墩1cm;7)結(jié)構(gòu)調(diào)整力，主要考慮邊中跨合攏時(shí)的豎向配重力，其目的在于懸臂端的平衡和消除合攏時(shí)合攏段兩邊的豎向位移偏差。還要考慮中跨合攏前的頂推力，其主要目的在于改善主墩受力;8)風(fēng)荷載，應(yīng)根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算不同風(fēng)荷載工況下的成橋階段和施工階段;9)漂流物的撞擊力，對(duì)于有通航要求或有漂流物的河流，應(yīng)進(jìn)行橫橋向撞擊力的計(jì)算，且應(yīng)做好相應(yīng)的防撞措施。

6.2 每種驗(yàn)算需要重點(diǎn)注意的問(wèn)題

1)持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算：應(yīng)考慮施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的次效應(yīng)的影響；必須考慮有效寬度的影響；在抗剪計(jì)算時(shí)，盡量將豎向預(yù)應(yīng)力筋當(dāng)安全儲(chǔ)備考慮，可適當(dāng)調(diào)整腹板的下彎高度以充分發(fā)揮腹板的抗剪作用。

2)持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算：對(duì)于主跨跨徑大于100m的連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)按照全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)；主跨跨中在自重、二期荷載、預(yù)加力等作用下的彈性下?lián)隙戎狄话憧刂圃贚/4000。

3)持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的計(jì)算：重點(diǎn)關(guān)注四個(gè)應(yīng)力，分別為墩頂位置截面頂?shù)恼龖?yīng)力、跨中截面底的正應(yīng)力、混凝土的主拉應(yīng)力、混凝土的最大壓應(yīng)力；施工階段計(jì)算主要考慮最大懸臂階段、頂推階段的穩(wěn)定性驗(yàn)算和承載能力驗(yàn)算。

7 施工要點(diǎn)

7.1 主要施工方案

本橋樁基采用嵌巖樁，主墩位于流江河中，水深約5m，因此基礎(chǔ)的施工難度較大，設(shè)計(jì)考慮采用筑島圍堰施工。

主橋箱梁采用掛籃懸臂施工，箱梁縱向分塊為9m(邊跨現(xiàn)澆段)+2m(邊跨合攏段)+4×4m+6×3.5m+4×3m(14個(gè)懸澆段)+10m(零號(hào)塊)+4×3m+6×3.5m+4×4m(14個(gè)懸澆段)+2m(中跨合攏段)，其中零號(hào)塊采用托架施工，邊跨現(xiàn)澆段采用支架施工(見(jiàn)圖2、圖3)。

圖2 主梁邊跨分塊立面(單位：cm)

圖3 主梁中跨分塊立面(單位：cm)

7.2 零號(hào)塊施工

箱梁零號(hào)塊的混凝土澆注方量很大，且通常需要一次性澆注完成，因此要求零號(hào)塊施工托架的強(qiáng)度和剛度必須能夠滿足一次性澆注的要求，施工托架應(yīng)按施工總重量的1.2倍進(jìn)行預(yù)壓，以消除托架的彈性變形，檢驗(yàn)托架的安全度，若零號(hào)塊一次澆注不能完成，可分兩次澆注，先澆注底板和腹板，再澆注頂板，宜將兩次澆注混凝土的齡期控制在7d以內(nèi),并預(yù)留施工逢,在二次澆注前應(yīng)鑿毛并將表面清理干凈。

7.3 懸臂澆注施工

應(yīng)隨時(shí)保證懸臂施工的對(duì)稱和平衡。每個(gè)懸臂澆注梁段都要求一次澆注完成，每個(gè)梁段的施工周期(包括安裝掛藍(lán)、立模澆注混凝土以及張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束)一般不小于10d。混凝土的澆注順序應(yīng)從掛籃前端向后端澆注，使掛籃前期撓度大，后期撓度小，前期出現(xiàn)的腹板變形可以在后期的澆注過(guò)程中進(jìn)行彌補(bǔ)。

7.4 預(yù)應(yīng)力施工

1)每一梁段縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)定的順序進(jìn)行對(duì)稱張拉，張拉時(shí)應(yīng)注意梁體和錨具的變化;2)橫豎向預(yù)應(yīng)力應(yīng)滯后本節(jié)段縱向預(yù)應(yīng)力筋兩個(gè)節(jié)段后再?gòu)埨?3)三向預(yù)應(yīng)力管道相碰時(shí)，保證縱向移動(dòng)橫豎向，用作后錨的豎向預(yù)應(yīng)力筋不允許偏位，橫豎向相碰時(shí)，保證豎向移動(dòng)橫向，但橫向最大偏位不得大于10cm;4)預(yù)留管道一般在施工時(shí)管道堵塞等意外事故時(shí)才能考慮起用，經(jīng)確認(rèn)不需使用后，應(yīng)及時(shí)封堵、灌漿。

7.5 合攏施工及體系轉(zhuǎn)換

主橋箱梁全橋分兩個(gè)合攏階段，第一階段是邊跨合攏；第二階段中跨合攏。

1)邊跨合攏段的施工：進(jìn)行邊跨合攏時(shí)，在邊跨懸臂端設(shè)置與現(xiàn)澆梁段等重量的平衡配重。澆筑合攏段混凝土，同時(shí)逐步卸出配重;2)中跨合攏段的施工：先在懸臂端安裝平衡配重(每端重量為二分之一的合攏段自重)，然后安裝中跨合攏段勁性骨架，根據(jù)設(shè)計(jì)頂推力對(duì)稱頂推兩側(cè)“T構(gòu)”，選擇一天中較穩(wěn)定的溫度時(shí)間澆筑中跨合攏段混凝土(設(shè)計(jì)合攏溫度一般控制在15°C±3°C)，同步逐漸卸除平衡配重;3)張拉合攏段底板預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)先張拉長(zhǎng)束后張拉短束。

8 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)剛構(gòu)橋的特點(diǎn)很鮮明。墩梁固結(jié)，施工過(guò)程中無(wú)需體系轉(zhuǎn)換，方便施工；順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度都很大，受力性能好；主墩較柔，順橋向的抗推剛度相對(duì)較小，有利于溫度作用、混凝土收縮徐變和抗震；伸縮縫少，行車平順舒適?；谝陨咸攸c(diǎn)，連續(xù)剛構(gòu)橋有很好的發(fā)展前景，隨著上部結(jié)構(gòu)的不斷輕型化，跨越能力可進(jìn)一步增大，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)連續(xù)長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，也可以適應(yīng)高速行車。