高速公路預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

韓 峰

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210014）

0 引言

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為可以有效提高混凝土的抗拉性能，但基于預(yù)應(yīng)力中諸多不穩(wěn)定因素影響，對整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、質(zhì)量也會帶來一定威脅。現(xiàn)如今，預(yù)應(yīng)力混凝土在路橋工程中的應(yīng)用范圍愈發(fā)廣泛，正是由于其適用性高，可以更好地確保建筑物和施工安全，同時(shí)具備經(jīng)濟(jì)性和合理性等優(yōu)點(diǎn)，且能夠真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)、質(zhì)量和美學(xué)的和諧統(tǒng)一。

1 工程概況

工程全線設(shè)置主線橋梁（含互通、服務(wù)區(qū)內(nèi)主線橋）37座，橋長共計(jì)10 417.56 m，其中特大橋2座，總長2 799.8 m；大橋10座，總長6 105.76 m；中小橋25座，總長1 512.0 m。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-Ⅰ級；設(shè)計(jì)速度：主線120 km/h；主線標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度：雙向四車道，總寬27 m，橋面凈寬2×11.975 m；主線橋下部結(jié)構(gòu)在滿足受力要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)跨徑和墩臺高度，將下部結(jié)構(gòu)形式尺寸進(jìn)行適當(dāng)歸并統(tǒng)一。主線16 m、20 m跨徑空心板橋采用1.1 m墩柱接1.2 m樁基；30 m跨徑箱梁采用1.4 m墩柱接1.5 m樁基，35 m跨徑采用1.6 m墩柱接1.8 m樁基。

2 選材及選型設(shè)計(jì)

2.1 混凝土材料的選擇

（1）水泥。選擇質(zhì)量相對穩(wěn)定的硅酸鹽水泥，并確保材料中的堿不超過0.6%，熟料內(nèi)所含的C3A不超過8%。其他技術(shù)要求應(yīng)與相關(guān)規(guī)定相符。一座橋梁中的預(yù)制板要確保所使用的水泥種類相同。

（2）細(xì)骨料。細(xì)骨料要挑選一些天然且硬質(zhì)潔凈的粗河砂，倘若要應(yīng)用機(jī)制砂，則要挑選經(jīng)過專業(yè)處理和試驗(yàn)的機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)確保在2.6～3.2之間，泥的含量也要≤2%，所含泥塊量在0.5%以下。

（3）粗骨料。粗骨料要挑選耐久性較高且較堅(jiān)硬的品類，如卵石等，且孔隙率不超過40%，壓碎指標(biāo)也不能超過20%，母巖抗壓強(qiáng)度和混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比例要超過1.5，泥含量＜1%，其中的泥塊量應(yīng)不超過0.5%，所含的針片狀應(yīng)不超過10%。最佳的粒徑應(yīng)處于5～20 mm之間，連續(xù)級配，最大的粒徑應(yīng)小于25 mm，且要保證小于或者等于鋼筋凈距最小值的3/4。

（4）挑選的骨料需要在施工之前通過試驗(yàn)明確其堿活性。須注重挑選非活性骨料，不建議挑選膨脹率超過0.2%的堿-硅酸鹽反應(yīng)活性骨料。如果所挑選骨料的膨脹率處于0.1%～0.2%之間，混凝土內(nèi)所含的堿總量要小于2.8 kg/m3，同時(shí)，要通過有效的試驗(yàn)進(jìn)行檢測，以確保合格。

（5）在挑選礦物摻和料時(shí)，優(yōu)先考量具備穩(wěn)定性特點(diǎn)的粉煤灰，且要保證其內(nèi)部所含氯離子不超過0.02%，同時(shí)滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

（6）外加劑。外加劑的挑選應(yīng)優(yōu)先考量穩(wěn)定性高，并可以和膠凝材料有效相容的品類。減水劑可挑選聚羧酸高性能一類，也要滿足《混凝土外加劑》（GB8076—2008）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求[1]，具體的摻量和水泥是否能夠適用，應(yīng)通過相應(yīng)試驗(yàn)來確定。膨脹劑以及引氣劑也要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

2.2 鋼筋選材

（1）梁底調(diào)平鋼板采用Q355qD，應(yīng)符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T714—2015）規(guī)定；護(hù)欄采用Q355，其余均采用Q235，應(yīng)符合《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T700—2006）規(guī)定。

（2）挑選焊接材料時(shí)，應(yīng)考慮挑選能夠匹配母材的焊條以及焊絲等，二氧化碳的純度要≥99.5%，同時(shí)要確保材料滿足國家規(guī)定要求。

（3）低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線。預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224—2014）標(biāo)準(zhǔn)。一根標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線的直徑為ФS15.2 mm，面積為140 mm2，抗拉強(qiáng)度應(yīng)保持在1 860 MPa。

3 預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板

該標(biāo)段位于平曲線上的空心板梁橋，橋墩按照徑向布置，采用彎橋折做，橋臺平行于邊孔梁端線，用護(hù)欄調(diào)整為曲線。

①預(yù)應(yīng)力混凝土空心板是結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)，板梁結(jié)構(gòu)以A類構(gòu)件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)；②利用平面桿系結(jié)構(gòu)軟件開展計(jì)算操作，現(xiàn)澆層應(yīng)為受力部分，以簡支正板作為跨中彎矩的設(shè)計(jì)憑據(jù)，以簡支斜板作為支點(diǎn)剪力的設(shè)計(jì)憑據(jù)。借助杠桿法實(shí)現(xiàn)橫向分布系數(shù)支點(diǎn)的計(jì)算，利用鉸接板梁法實(shí)現(xiàn)四分點(diǎn)至跨中的計(jì)算，四分點(diǎn)至支點(diǎn)，依照直線內(nèi)插可得；③具體參數(shù)如下：預(yù)應(yīng)力鋼筋的松弛系數(shù)為0.3、彈性模量為1.95×105MPa；混凝土的彈性模量為3.45×104MPa、重力密度為26.0 kN/m3；預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)：以50 m為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算臺座的張拉長度，基于一端進(jìn)行張拉，鋼筋的回縮值設(shè)為6 mm，鋼筋和臺座之間的加熱養(yǎng)護(hù)溫差設(shè)為20 ℃；④處于運(yùn)營中的主梁應(yīng)力，根據(jù)預(yù)制板以及現(xiàn)澆混凝土以8 cm厚度的共同受力展開計(jì)算，沒有參考鉸縫截面的相關(guān)受力，只參考聯(lián)結(jié)作用；⑤橋面鋪裝鋼筋采用焊接鋼筋網(wǎng)，斜交角≥20°時(shí)，設(shè)置角隅加強(qiáng)鋼筋和鈍角加強(qiáng)鋼筋。

3.1.2 裝配式PC連續(xù)（簡支）箱梁

該標(biāo)段位于平曲線上的裝配式PC連續(xù)（簡支）箱梁橋，墩、臺按照徑向布置，采用彎橋折做，用護(hù)欄調(diào)整為曲線。①裝配式PC連續(xù)箱梁選用多箱單獨(dú)預(yù)制，簡支優(yōu)先，連續(xù)在后的結(jié)構(gòu)體系；②箱梁為部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類，以平面桿系有限元程序?qū)崿F(xiàn)內(nèi)力的計(jì)算，通過剛接板(梁)法對荷載橫向分配系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并用梁格法進(jìn)行檢算。橋面板計(jì)算按單向板和懸臂板計(jì)算；③計(jì)算參數(shù)參考：混凝土的彈性模量為3.45×104MPa、重力密度為26.0 kN/m3；管道偏差系數(shù)是0.001 5；錨具產(chǎn)生的變形以及鋼筋的回縮均以6 mm為參考；瀝青混凝土的重力密度為24.0 kN/m3；管道的摩擦系數(shù)為0.25。注重考慮豎向梯度溫度效應(yīng)，橋面現(xiàn)澆層及瀝青鋪裝部分會對梯度溫度造成一定的影響，根據(jù)有關(guān)要求進(jìn)行取值設(shè)計(jì)。

3.1.3 現(xiàn)澆等截面連續(xù)箱梁

①橋梁截面形式為單箱多室，等高。橋面橫坡形成方式：腹板鉛垂，頂?shù)装迤叫杏上淞赫w旋轉(zhuǎn)而成；②為了確保連續(xù)箱梁的抗剪性能，應(yīng)盡可能挑選腹板預(yù)應(yīng)力鋼束。現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁盡量采用兩端張拉施工；③現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁采用平面桿系有限元及梁格有限元程序按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件計(jì)算（主線跨一線海堤特大橋主橋采用全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件）。橋面板計(jì)算按單向板和懸臂板計(jì)算；④計(jì)算參數(shù)參考：混凝土的彈性模量為3.45×104MPa、重力密度為26.0 kN/m3；管道偏差系數(shù)是0.001 5；錨具產(chǎn)生的變形以及鋼筋的回縮均以6 mm為參考；瀝青混凝土的重力密度為24.0 kN/m3；管道的摩擦系數(shù)為0.25；針對支座不均勻沉降的摩擦樁可以按照L/4 000來確認(rèn)。注重考慮豎向梯度溫度效應(yīng)，橋面現(xiàn)澆層及瀝青鋪裝部分會對梯度溫度造成一定的影響，根據(jù)有關(guān)要求進(jìn)行取值設(shè)計(jì)。

3.1.4 懸澆梁

（1）上部構(gòu)造。梁垛河主橋采用左幅（48+85+48）m的三跨變截面型的混凝土連續(xù)箱梁，選取的是單箱單室，箱梁梁高的變化以兩次拋物線為標(biāo)準(zhǔn)，以距跨中1 m的位置，進(jìn)行2.5 m的變化，直到和主墩的中心位置距離2.5 m的位置，變化5.1 m。同時(shí)，橋梁主體的墩頂位置0號塊區(qū)域設(shè)計(jì)2.5 m厚的中橫梁，于邊跨的末端搭建1.8 m厚的端橫梁，中跨跨中設(shè)置0.3 m厚中隔板。箱梁單幅全寬13.025 m，與橫橋向的底板呈水平狀態(tài)，箱頂部布設(shè)斜度為3%且方向單一的斜坡，箱梁的兩邊懸臂設(shè)計(jì)長度為3.2 m，并設(shè)計(jì)為豎、橫、縱三向體系。

橋梁主體部分箱梁頂部結(jié)構(gòu)的厚度是0.28 m。底板設(shè)計(jì)厚度以2次拋物線為標(biāo)準(zhǔn)，基于跨中0.3 m的位置開始變化直到和0號塊中心位置相距3.5 m位置的0.8 m。對于箱梁腹板的厚度，要確保2～6號梁段以0.8 m為基準(zhǔn)，9～11號以0.5 m為基準(zhǔn)，7號和8號基于0.8 m直線漸變至0.5 m，0號從橫梁位置的1.1 m直線漸變至0.8 m。為實(shí)現(xiàn)箱梁根部截面受力的優(yōu)化目的，要在0號塊兩端周邊的底板相關(guān)位置以及截面頂部實(shí)施加厚處理。

橋梁主體的連續(xù)箱梁選擇的施工手段為掛籃懸臂澆筑法，“T”箱梁需要在支架上展開現(xiàn)澆操作的包括0號和1號塊，其他的部分要?jiǎng)澐殖?0對梁段，并選擇逐段開展的平衡懸臂澆筑法。箱梁縱向懸臂的澆筑長度是36 m[分段為：（2×3+4×3.5+4×4）m]，1 號和 0 號的箱梁墩頂現(xiàn)澆塊件總長度為11 m，中跨合攏部分的長度是2 m，邊跨合攏部分的長度是2 m，邊跨部分的現(xiàn)澆長度是4.42～7.84 m。

（2）預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。主橋橋幅的縱向預(yù)應(yīng)力挑選的是鋼絞線束，選用規(guī)格為15Фs15.2、17Фs15.2。鋼束張拉錨下控制應(yīng)力設(shè)計(jì)為1 339.2 MPa，對應(yīng)張拉力具體是3 187.3kN、2 812.3kN。箱梁頂部結(jié)構(gòu)的橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)為3Φs15.2鋼絞線，間距的布設(shè)控制在50 cm，交錯(cuò)固定一端進(jìn)行張拉錨固相關(guān)操作，錨下的控制應(yīng)力設(shè)計(jì)為1 339.2 MPa，對應(yīng)控制張拉力是562.5 kN。

豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋挑選的是直徑為32 mm的精軋螺紋鋼筋，型號為JL32，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為fpk=785 MPa，彈性模量Ep=2×105MPa，每根設(shè)計(jì)張拉力為537 kN。80 cm腹板加厚段單個(gè)腹板截面橫向布置2根，50 cm腹板等厚段及腹板變厚段單個(gè)腹板截面橫向布置1根，豎向預(yù)應(yīng)力沿橋軸線按50 cm間距布置，采用單端張拉（豎向預(yù)應(yīng)力筋在梁頂張拉）方式，相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力錨具為YGM-32和YGD-32墊板。在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的損失計(jì)算中，孔道偏差系數(shù)為0.001 5，管道的摩擦系數(shù)為0.25，錨具端回縮量為6 mm。

（3）計(jì)算參數(shù)。針對橋梁上部結(jié)構(gòu)的靜力分析，應(yīng)基于《橋梁博士》展開具體計(jì)算。主要涉及溫度變化（不論是升溫還是降溫，均需以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)）、活載、支座強(qiáng)迫位移（對于主墩產(chǎn)生不均勻沉降需要以2 cm為標(biāo)準(zhǔn)，邊墩則需要以1 cm為標(biāo)準(zhǔn)）、恒載、預(yù)應(yīng)力等，日照溫度差異要根據(jù)相關(guān)規(guī)范內(nèi)容等荷載作用實(shí)現(xiàn)有效計(jì)算[2]。具體計(jì)算中，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，針對各類荷載展開差異化的荷載組合，針對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及強(qiáng)度等，分別進(jìn)行了計(jì)算核驗(yàn)。主橋的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。

針對橋梁上部結(jié)構(gòu)施工階段展開的計(jì)算，基于梁段進(jìn)行施工工藝和順序等的劃分，針對各梁均參照張拉預(yù)應(yīng)力以及掛籃移動(dòng)就位等過程。其中，掛籃設(shè)計(jì)重量為60 t，參考《橋梁博士》有關(guān)專業(yè)內(nèi)容，針對各梁段施工期間的撓度以及內(nèi)力等實(shí)施了計(jì)算與核驗(yàn)。主橋先邊跨合攏，然后拆除臨時(shí)錨固，最后展開中跨合攏相關(guān)操作。利用框架模型對箱梁進(jìn)行橫向分析計(jì)算，同時(shí)，將其作為依據(jù)實(shí)現(xiàn)頂板橫向鋼筋等相關(guān)構(gòu)件的配置。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

工程主橋的下部具體結(jié)構(gòu)包括承臺、鉆孔灌注樁等，其中，鉆孔灌注樁的樁基礎(chǔ)直徑是1.8 m，薄壁空心墩順橋向的設(shè)計(jì)尺寸是4 m、橫橋向?yàn)? m，承臺順橋向設(shè)計(jì)尺寸為16.5 m、橫橋向?yàn)?2 m。所選用支座為球形，具有減震防摩擦等功能，型號是SFJZ7MN以及SFJZ45MN。其中第二種型號的支座主要發(fā)揮支撐中間墩的作用，第一種主要發(fā)揮支撐過渡墩的作用。選擇了梳齒板結(jié)構(gòu)的伸縮縫，具體型號為320[3]。

以公路-Ⅰ級作為橋梁荷載，工程實(shí)際施工期間，針對合攏段的施工，溫度建議控制在15～20 ℃，整體升溫不應(yīng)大于25 ℃，降溫時(shí)不應(yīng)大于零下30 ℃。針對預(yù)應(yīng)力孔道，設(shè)計(jì)的摩擦系數(shù)是0.17，孔道偏差應(yīng)保持在0.001 5之內(nèi)，鋼絞線松弛系數(shù)也要＜0.3，橋梁的支座所形成的不均勻沉降應(yīng)維持在10～20 mm，掛籃施工期間，重量的最大值要＜1 000 kN，結(jié)束預(yù)應(yīng)力張拉相關(guān)操作后，應(yīng)及時(shí)采取錨固措施，且注意錨具的回縮量應(yīng)＜6 mm[4]。

實(shí)際設(shè)計(jì)期間，主橋的上部結(jié)構(gòu)劃分為234個(gè)單元，以55個(gè)施工階段作為整個(gè)橋梁建設(shè)過程展開施工模擬。對于最不利荷載的組合，箱梁上緣的應(yīng)力最小值應(yīng)為0.127 MPa，最大值應(yīng)為17.2 MPa，下緣的應(yīng)力最小值應(yīng)為2.82 MPa，最大值應(yīng)為15.8 MPa。

3.3 橋梁抗震設(shè)防方案

針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁建筑，現(xiàn)階段應(yīng)用最多的抗震體系包括兩種。其一，按延性設(shè)計(jì)，受地震災(zāi)害影響時(shí)通過墩柱塑性變化，使得結(jié)構(gòu)的使用壽命得以延長，將地震的能量耗散掉。針對此類結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)塑性變形的位置通常會設(shè)置于修復(fù)和檢查便捷性均較高的構(gòu)件上。其二，按減隔震設(shè)計(jì)，基于地震災(zāi)害影響，依靠上下結(jié)構(gòu)相連的構(gòu)件，如：支座、耗能裝置等，產(chǎn)生塑性變形，結(jié)構(gòu)周期延長，對地震產(chǎn)生能量起到消耗和分散的作用，最終實(shí)現(xiàn)地震反應(yīng)的減弱或者消除。

該項(xiàng)目中對于20 m及以下跨徑的預(yù)制板梁橋，支座采用橡膠支座，采用延性設(shè)計(jì)抗震體系，利用橋梁墩柱發(fā)生塑性變形耗散地震能量；對于20 m以上跨徑的預(yù)制箱梁橋，支座采用高阻尼減隔震支座和水平力分散型支座；對于現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋，采用摩擦擺支座。如表1所示。

表1 橋梁抗震設(shè)防體系

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循因地制宜的原則，并根據(jù)相關(guān)單位提出的要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。橋梁設(shè)計(jì)期間，可參照其他國家先進(jìn)技術(shù)，挑選適宜的設(shè)計(jì)方案，降低對后期施工或運(yùn)營造成的不良影響，以確保橋梁結(jié)構(gòu)的合理性，保證橋梁工程的整體質(zhì)量，延長橋梁的使用壽命。