赤水河大橋總體設(shè)計(jì)及靜力分析

馮嘯天，高曉虎，黃燦

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290）

1 工程概述

簡州新城方家林大道位于成都東部新區(qū)起步區(qū)，北起龍新大道，南至成龍簡快速匝道，雙向八車道，赤水河大橋分左、右兩幅，起點(diǎn)樁號(hào)為K0+785.3m，終點(diǎn)樁號(hào)為K0+974.7m，橋面總寬50m，單幅寬度為24.75m，橋位處基巖面有一定起伏。其中泥巖具球狀風(fēng)化特性，是影響樁基礎(chǔ)的不利因素[1]。

2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

（1）道路等級(jí)為城市主干路。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)速為60 公里/時(shí)。

（3）設(shè)計(jì)荷載：汽車荷載等級(jí)為城-A級(jí)；人群荷載：按照現(xiàn)行《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行；人行道欄桿扶手上豎向荷載：1.2kN/m；水平向外荷載：2.5kN/m。

（4）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 年。

（5）設(shè)計(jì)使用年限：主體結(jié)構(gòu)為100 年；附屬設(shè)施中可更換部件為15 年。

（6）設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，其中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

（7）橋面橫坡為車行道雙向1.5%，人行道單向2%。

（8）通航要求：無。

（9）設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100。

（10）地震基本烈度：地勘報(bào)告揭示地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.1g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為 0.45s。

（11）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：本橋?yàn)楸悩蛄?，抗震設(shè)計(jì)方法為C 類；抗震措施按7 度設(shè)防，均依據(jù)現(xiàn)行《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

（12）管線荷載：本橋單幅管線荷載不大于5kN/m。

（13）橋面防水等級(jí)：Ⅰ級(jí)；

（14）防撞護(hù)欄等級(jí)：SA 級(jí)；

（15）本圖平面1980 西安坐標(biāo)系、1985 國家高程基準(zhǔn)。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 總體布置

本橋上跨赤水河無通航要求，從橋梁經(jīng)濟(jì)性以及為了降低梁高以達(dá)到減少北岸平交口填方兩方面考慮，希望采用較小的主跨，但為配合片區(qū)總體景觀要求則希望有較大的橋跨，以利于橋梁造型，同時(shí)為了減少水中施工難度，也希望采用較大橋跨，以減少水中橋墩數(shù)量；綜合考慮后，結(jié)合業(yè)主要求，本項(xiàng)目布跨為（50+80+50）m，采用三跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。

赤水河大橋橫向設(shè)置雙向8 車道，設(shè)計(jì)行車速度60km/h，單幅寬度為24.75m 具體布置為：3.0m（人行道）+6.5 m（輔道）+3.5m（綠化帶）+11.25m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5m（防撞墻）=24.75m。橋型布置見上圖：寸為7.4×4.0m，兩承臺(tái)用系梁相連，系梁為6.25×2.5m，基礎(chǔ)為直徑為2.0m 鉆孔灌注樁。

橋型布置圖

3.2 主梁設(shè)計(jì)

主梁為變高度預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，單箱三室直腹板斷面，單箱頂寬24.75m，底寬19.75m，翼緣板長2.5m。支點(diǎn)處梁高5.0m，高跨比1/16，跨中以及端部梁高2.2m，梁高從跨中至距主墩中心1.75m按2 次拋物線變化，底板下緣曲線可寫為方程式：Y=0.0019138 X2(m)。腹板變厚度80cm(支點(diǎn))～45cm（跨中），底板厚度則按照2 次拋物線變化，底板變厚度55cm(支點(diǎn))～25cm（跨中），底板厚度可寫為方程式：Y=0.0016791X2-0.25（m），頂板厚度25cm，懸臂板端部厚20cm，根部厚60cm。設(shè)支點(diǎn)橫隔梁，主墩頂處橫隔梁厚度350cm，兩側(cè)端橫梁厚度等于250cm，全橋其余部位均不再設(shè)橫隔梁，腹板上方間隔5m 設(shè)通10cm氣孔。

主橋采用縱向預(yù)應(yīng)力體系，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計(jì)算，采用混凝土等級(jí)為C55。全橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用φs15.2 的鋼絞線，為高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk 不低于1860MPa，縱向預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管。鋼絞線應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線》，錨具采用符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》要求的錨具，塑料波紋管采用國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用塑料波紋管》?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束采用平、豎彎相結(jié)合的方式布置，壓漿真空輔助壓漿技術(shù)，應(yīng)在張拉后48h 內(nèi)完成。

3.3 主墩及基礎(chǔ)

橋墩均采用柱式墩，墩柱柱底尺寸為2.2×2.2m，柱頂尺寸為3.0m（橫橋向）×2.2m（縱橋向）。承臺(tái)尺橋臺(tái)采用U 型橋臺(tái)，基礎(chǔ)為直徑1.3m 鉆孔灌注樁。本橋樁基礎(chǔ)均按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

主梁支座處1/2 構(gòu)造圖 主梁跨中1/2 構(gòu)造圖

3.4 其他附屬設(shè)施

支座：支座采用盆式橡膠支座，其技術(shù)性能應(yīng)滿足《公路橋梁盆式支座規(guī)格系列》（JT/T 391-2019）。

伸縮縫：全橋伸縮縫采用D160 型伸縮縫。伸縮縫需在廠家技術(shù)代表的指導(dǎo)下安裝，安裝時(shí)應(yīng)注意根據(jù)實(shí)時(shí)溫度確定其伸縮縫安裝寬度值。

護(hù)欄：人行道護(hù)欄采用鋼護(hù)欄，中央分隔帶處采用混凝土防護(hù)欄。

橋面鋪裝：橋面鋪裝為4cmSMA-13+6cmAC-20C+聚合物改性瀝青PB(Ⅱ)防水層。

3.5 施工方案

赤水河大橋采用滿堂支架施工，施工前施工承包商應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及本冊(cè)圖紙中支架設(shè)計(jì)示意圖，制定詳細(xì)的施工方案，經(jīng)專家評(píng)審后報(bào)相關(guān)水利部門審批通過后實(shí)施。此外，除現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定外還應(yīng)注意以下，整孔支架應(yīng)先搭建，充分觀測支架的沉降量?；炷翝仓炷燎邦A(yù)壓支架，預(yù)壓重量不得小于箱梁恒重的1.25 倍，預(yù)壓時(shí)間不小于72h，已檢驗(yàn)支架的承載能力，減少后期非彈性變形。觀測支架沉降滿足要求后方可施工。施工步驟概略詳見下圖：

4 主梁靜力分析

主梁采用三維有限元計(jì)算軟件Midas Civil 選取連續(xù)梁橋單幅結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱向模擬控制計(jì)算，全橋共劃分為78 個(gè)單元；邊界條件按實(shí)際條件建模。

單幅主梁成橋階段模型圖

4.1 主梁支座反力計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)組合下，主跨支座最大支反力為37114.6kN，橋臺(tái)支座最大支反力為6836.3kN，選用抗震盆式橡膠支座DFKZ37.5X 和DFKZ8X 系列，滿足要求。

標(biāo)準(zhǔn)組合下支座反力

4.2 主梁承載能力驗(yàn)算

正截面抗彎承載能力按現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362－2018）中5.2.2-1 式計(jì)算。持久狀況承載能力極限狀態(tài)，主梁的抗彎承載力計(jì)算滿足規(guī)范要求，如下圖：

承載能力極限狀態(tài)抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖

斜截面抗剪承載能力按現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.2.7-1 式計(jì)算，持久狀況承載能力極限狀態(tài)，主梁的抗剪承載力計(jì)算滿足規(guī)范要求，如下圖（墩頂段考慮了橫隔梁的作用）：

承載能力極限狀態(tài)抗剪驗(yàn)算包絡(luò)圖

4.3 主梁截面抗裂驗(yàn)算

主橋按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，主梁正截面抗裂性按現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.3.1-2 式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，主梁截面上、下沿最小壓應(yīng)力為1.14MPa，不出現(xiàn)拉應(yīng)力，故主梁在荷載短期效應(yīng)組合下正截面抗裂滿足規(guī)范要求，如下圖：

正截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

主橋按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，斜截面抗裂性按現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.3.1-6 式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，主梁的最大主拉應(yīng)力為0.60MPa，故主梁在短期效應(yīng)組合下斜截面抗裂性滿足規(guī)范要求，如下圖：

斜截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

4.4 主梁混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算

使用階段主梁的正截面壓應(yīng)力應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.1.5-1式σcc ≤0.5fck ＝17.75MPa，計(jì)算結(jié)果表明主梁正截面混凝土在使用階段最大壓應(yīng)力為15.0MPa，滿足規(guī)范要求，如下：

正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算包絡(luò)圖

使用階段主梁的正截面法向壓應(yīng)力應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中σcc ≤0.6fck ＝21.3MPa，計(jì)算表明主梁混凝土上沿最大主壓應(yīng)力14.9MPa，為局部位置，滿足規(guī)范要求，如下圖：

混凝土最大主壓應(yīng)力驗(yàn)算包絡(luò)圖

5 結(jié)論

根據(jù)總體設(shè)計(jì)論證及靜力分析驗(yàn)算，結(jié)果表明赤水河大橋主梁滿足承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)的各項(xiàng)要求，滿足持久狀況和短暫狀況下受力計(jì)算要求，橋梁設(shè)計(jì)是滿足安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和美觀的原則，按設(shè)計(jì)建造出來的構(gòu)筑物能滿足安全使用的功能