預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)實(shí)例

摘要 為探索預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)思路及要點(diǎn)，文章對(duì)一座五跨連續(xù)剛構(gòu)橋橋型比選、構(gòu)件截面尺寸確定、施工工藝等展開(kāi)設(shè)計(jì)分析；應(yīng)用Midas Civil有限元軟件對(duì)橋梁受力情況展開(kāi)模擬，對(duì)主梁、主墩等結(jié)構(gòu)承載力和抗裂性能展開(kāi)驗(yàn)算。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在120～250 m跨徑范圍內(nèi)屬于經(jīng)濟(jì)合理橋型，外形流暢，設(shè)計(jì)思路及施工工藝成熟，養(yǎng)護(hù)方便，行車(chē)平順性好，在公路橋梁中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 預(yù)應(yīng)力混凝土；連續(xù)剛構(gòu)橋；設(shè)計(jì)；受力

中圖分類(lèi)號(hào) U448.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0059-04

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋因橋型簡(jiǎn)潔、結(jié)構(gòu)合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)公路橋梁中應(yīng)用廣泛，該橋型在發(fā)展過(guò)程中主要經(jīng)歷了帶剪力鉸剛構(gòu)、帶掛梁鋼構(gòu)、連續(xù)鋼構(gòu)等階段，設(shè)計(jì)理論及施工經(jīng)驗(yàn)均較為成熟。但在實(shí)際運(yùn)行期間，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋病害問(wèn)題較為凸顯，如結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期下?lián)?、墩頂附加結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斜向裂縫等。為此，必須在橋梁設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，提升基礎(chǔ)的穩(wěn)固性；在成橋預(yù)拱度計(jì)算時(shí)充分考慮各項(xiàng)施工參數(shù)可能產(chǎn)生的影響，確保合理取值。

基于此，該文以具體工程為背景，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開(kāi)分析探討，并對(duì)該橋型受力情況展開(kāi)有限元分析及驗(yàn)算，以期為大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋典型病害的防治提供參考。

1 工程概況

某橋梁為省道公路改擴(kuò)建段關(guān)鍵性工程，所在公路為二級(jí)公路。橋梁工程于K21+350處跨越深谷，深谷谷底長(zhǎng)420 m，該深谷位于C水庫(kù)庫(kù)址區(qū)。橋梁工程建成后，原深谷將成為水庫(kù)蓄水區(qū)，規(guī)劃蓄水位為98 m，無(wú)通航要求，故對(duì)橋梁跨徑無(wú)特定要求，無(wú)須展開(kāi)橋墩防撞設(shè)計(jì)；庫(kù)區(qū)水流流速低，對(duì)墩柱的沖刷影響可忽略不計(jì)。

橋址處地質(zhì)條件良好，谷底河床分布圓礫石和卵石，下伏凝灰?guī)r，局部覆蓋玄武巖，基巖質(zhì)硬，風(fēng)化面起伏大，工程性能較好。橋臺(tái)處主要覆蓋黏性土碎石和填土，工程屬性一般。全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層厚為0.6～5.3 m和1.5～6.9 m；中風(fēng)化基巖質(zhì)硬，埋深在8.4～12.6 m之間。

2 橋型比選

橋型確定時(shí)應(yīng)以橋梁跨徑和上部、下部結(jié)構(gòu)為比選重點(diǎn)，結(jié)合橋址處地質(zhì)條件，確保所選橋型施工工藝成熟、環(huán)境適宜、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量可靠、維護(hù)方便。該橋主橋面與原地面相距60 m，跨越距離約為440 m，橋面設(shè)計(jì)寬度15 m，橋墩高?？紤]高塔斜拉橋和懸索橋經(jīng)濟(jì)跨徑通常在300～400 m之間，故該橋梁采用此類(lèi)橋型缺乏經(jīng)濟(jì)性，施工質(zhì)量控制也存在較大難度。桁架式拱橋和系桿拱施工控制也較為復(fù)雜；水面以上到橋面底的距離較小，水面以下距離較深，故上承式拱橋也不適用。

從施工便利性、結(jié)構(gòu)耐久性及經(jīng)濟(jì)性、景觀性等方面出發(fā)，著重對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋、梁拱組合橋、矮塔斜拉橋等橋型展開(kāi)比較^[1]。

2.1 連續(xù)剛構(gòu)橋

主橋跨徑按照86 m+3×155 m+86 m確定，主梁斷面為單箱單室變高截面，橋墩處為剛構(gòu)形式，橋墩施工采用爬模工藝；主梁則通過(guò)掛籃施工，逐節(jié)段澆筑至跨中合龍。該橋型墩梁固結(jié)，跨越能力強(qiáng)，施工難度小，省去了大噸位支座的設(shè)置，使連續(xù)梁形成平順性提升，支座養(yǎng)護(hù)工作量減少。

2.2 梁拱組合橋

下承式梁拱組合橋結(jié)構(gòu)中梁和拱共同受力，主梁斷面為17 m，跨中和橋墩處梁高2 m和7.5 m；采用矢高比1∶5的柔性拱，按單拱單索面布置；鋼管混凝土拱截面尺寸為3×1.8 m，吊桿按5 m間距布置。施工過(guò)程按照先橋墩后主梁的次序展開(kāi)，最后在梁上安裝拱。主梁施工借助掛籃完成，實(shí)現(xiàn)了無(wú)支架施工。

在該橋型下，施工階段的部分荷載由拱承擔(dān)，可適當(dāng)降低梁高，橋型美觀性提升。但因水面以下結(jié)構(gòu)深度大，水面以上高度低，上承式拱橋水位以下橋墩結(jié)構(gòu)粗壯，造價(jià)偏高，經(jīng)濟(jì)性差。

2.3 矮塔斜拉橋

橋位處視野開(kāi)闊，為保證景觀協(xié)調(diào)，應(yīng)適當(dāng)增大主橋跨徑并減少橋墩布置。具體而言，主橋跨徑應(yīng)布置為117 m+2×195 m+117 m；橋塔橋面以上設(shè)計(jì)高度為30 m，橋面和原地面相距55 m。主梁斷面應(yīng)為14.6 m，跨中及橋塔處梁高分別為2 m和5 m；梁塔索按8 m間距布置，索與梁之間呈15°～24°夾角。橋塔為敞開(kāi)式設(shè)計(jì)，支塔臂夾角為40°，造型輕盈美觀。橋塔和橋墩全部采用爬模施工，施工至橋面后施作主梁0#塊。最后借助掛籃施工主梁，并完成斜拉索張拉。按照以上設(shè)計(jì)思路，該橋型耐久性好，造型優(yōu)美，極具現(xiàn)代元素，但造價(jià)較高，施工過(guò)程復(fù)雜，對(duì)施工人員技術(shù)水平和質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)有較高要求。

從結(jié)構(gòu)受力、景觀適宜性、施工難度、技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)、整體造價(jià)等方面展開(kāi)以上橋型比較，具體見(jiàn)表1。最終推薦采用施工技術(shù)成熟、施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)耐用、環(huán)境適宜的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋^[2]。

3 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

3.1 主梁截面設(shè)計(jì)

（1）截面形式。箱形截面屬于閉口式截面，整體性好，抗扭剛度大，在連續(xù)剛構(gòu)橋中較為常用。箱形截面頂板及底板面積大，可更好抵抗主梁正負(fù)彎矩內(nèi)力，優(yōu)化配筋布置。該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)?5 m，行車(chē)道寬12 m，兩側(cè)為1.5 m寬的人行道，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于20 m以內(nèi)的橋?qū)?，?yīng)采用單箱單室截面。

箱梁腹板有斜腹板和直腹板兩種形式，前者外形美觀，后者施工簡(jiǎn)便?？紤]該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋橋?qū)挷淮?，出于?jiǎn)化施工、節(jié)省造價(jià)方面考慮，主橋箱梁腹板采用直腹板形式。

（2）梁底曲線。為減輕結(jié)構(gòu)自重，增強(qiáng)橋型美觀性，梁底可采取直線和曲線組合變化的設(shè)計(jì)。采用拋物線的形式，拋物線冪次在1.5～2之間取值，跨徑越大，拋物線冪次應(yīng)越小。采用高冪次拋物線的墩頂處梁高變化較大，而臨近跨中處梁高變化減緩，減重效果比低冪次拋物線更好。然而，因墩頂處梁高變化急劇，梁段底板應(yīng)力較大，防止預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后底板崩裂的效果不如低冪次拋物線^[3]。

綜合以上分析，該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁底曲線采用1.8冪次拋物線形式，以緩解L/4處底板應(yīng)力緊張，降低底板崩裂的可能。

（3）梁高。墩頂梁高主要與跨徑有關(guān)，隨著跨徑的增大，墩頂主梁所承受彎矩增加，梁高也相應(yīng)增大。為配合鋼筋構(gòu)造，便于施工空間優(yōu)化，梁高應(yīng)控制在2 m以上。結(jié)合對(duì)國(guó)內(nèi)外連續(xù)剛構(gòu)橋梁高情況的統(tǒng)計(jì)，通常按跨徑L的1/17～1/20確定支點(diǎn)截面高度，按跨徑L的1/50～1/60確定跨中截面高度。該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋強(qiáng)度、荷載、抗裂性能控制要求均較高，故應(yīng)在以上經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上適當(dāng)加大梁高，支點(diǎn)及跨中截面高度分別按跨徑L的1/16.67和1/47取值。

（4）箱梁幾何參數(shù)。箱梁頂?shù)装搴穸瘸龖?yīng)符合荷載作用下結(jié)構(gòu)抗剪、抗彎受力要求外，還應(yīng)滿足預(yù)應(yīng)力鋼束、普通鋼筋布置的構(gòu)造要求。結(jié)合《橋梁工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（SJG71—2020）及類(lèi)似橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁截面頂板厚度應(yīng)為28 cm，跨中至點(diǎn)處底板厚度應(yīng)取32～120 cm。

箱梁腹板是豎向剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的主要承受結(jié)構(gòu)，腹板厚度在40～100 cm之間取值。為滿足抗剪要求，必須加強(qiáng)豎向預(yù)應(yīng)力筋布設(shè)控制。該連續(xù)剛構(gòu)橋跨中至支點(diǎn)處箱梁腹板厚度取50～90 cm。為提升截面扭轉(zhuǎn)剛度及抗彎剛度，增強(qiáng)橋面板抗負(fù)彎矩性能，控制扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，還應(yīng)將承托設(shè)置在腹板和頂?shù)装褰唤犹帯?/p>

橋面板懸臂長(zhǎng)度應(yīng)按箱梁底寬的1/2確定，該連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁截面頂寬為15 m，底寬8 m，懸臂長(zhǎng)按照3.5 m確定。

為增加箱梁橫向剛度，還應(yīng)設(shè)置端橫梁，同時(shí)采用實(shí)體截面，以利于采取邊跨頂?shù)装宥噤撌^固形式。綜合考慮鋼筋布置及橫向受力要求，端橫梁厚度取1.5 m；兼顧橋墩形式及結(jié)構(gòu)尺寸后，按7.2 m間距設(shè)置兩道1.8 m厚的中橫梁。

3.2 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋采用墩梁固結(jié)形式，為降低次內(nèi)力敏感性，更好適應(yīng)梁結(jié)構(gòu)變形，應(yīng)選擇抗壓剛度大、抗推剛度小的薄壁墩。橫、縱向抗推剛度應(yīng)按以下公式^[4]計(jì)算：

其中，a為橋墩橫橋向尺寸；b為橋墩順橋向尺寸?？梢?jiàn)，單肢墩抗推剛度為相同截面積雙肢墩抗推剛度的4倍。結(jié)合類(lèi)似橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在跨徑不足160 m時(shí)，主墩基本采取雙肢實(shí)心薄壁墩形式，且雙肢間距一般不超出8 m。

該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主橋?yàn)殡p肢薄壁矩形墩，其中3#和4#主墩單肢截面寬8 m，厚1.8 m，長(zhǎng)細(xì)比為1/29；2#和5#次邊墩單肢截面寬8 m，厚1.3 m，長(zhǎng)細(xì)比為1/25；雙肢外邊距9 m，并在墩頂順橋向設(shè)置100×15 cm的導(dǎo)角。主墩基礎(chǔ)采用9根直徑2 m的鉆孔灌注樁，其上設(shè)置4 m厚的矩形鋼混承臺(tái)。樁基則采取25 m長(zhǎng)的端承樁形式。

4 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的影響分析及結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算

4.1 有限元模型構(gòu)建

為展開(kāi)該連續(xù)剛構(gòu)橋總體受力分析，采用Midas Civil軟件構(gòu)建起橋梁結(jié)構(gòu)模型，鋼構(gòu)橋共包括208個(gè)單元，按照施工及運(yùn)營(yíng)階段展開(kāi)內(nèi)力分析及截面應(yīng)力驗(yàn)算。模型構(gòu)建時(shí)，預(yù)應(yīng)力齒塊、橫隔板均以荷載形式施加于設(shè)計(jì)位置^[5]。全橋有限元模型見(jiàn)圖1。

4.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

4.2.1 梁底曲線

此處假設(shè)該擬研究的剛構(gòu)橋總跨徑等參數(shù)取值不變，通過(guò)梁底曲線冪次的調(diào)整，分析其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力分配和撓度值的影響程度，模擬結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)合表中數(shù)據(jù)，當(dāng)該剛構(gòu)橋梁底曲線冪次增大時(shí)，關(guān)鍵截面彎矩均緩慢下降，降幅不大。

梁底曲線冪次調(diào)整后關(guān)鍵截面應(yīng)力值的模擬結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)梁底曲線冪次發(fā)生相應(yīng)調(diào)整后邊跨跨中頂、底緣應(yīng)力均表現(xiàn)出明顯的增加；中跨以及墩梁固結(jié)段截面的頂、底緣應(yīng)力則穩(wěn)中有降。最后，結(jié)合所得出的主梁節(jié)點(diǎn)撓度變動(dòng)情況，邊跨跨中撓度、主跨75%段撓度均隨梁底曲線冪次調(diào)整而增大。

4.2.2 梁底板厚度曲線

此處的分析假定梁底板厚度曲線冪次調(diào)整，其余參數(shù)保持不變，展開(kāi)剛構(gòu)橋應(yīng)力、內(nèi)力及撓度變動(dòng)情況的比較研究。其中，梁底板厚度曲線冪次變動(dòng)后主梁關(guān)鍵截面彎矩值的模擬結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表中數(shù)據(jù)的分布情況，其余參數(shù)值不變，僅改變梁底板厚度曲線冪次的情況下，所有關(guān)鍵截面中僅中跨跨中截面彎矩表現(xiàn)出緩慢增大態(tài)勢(shì)。

根據(jù)梁底板厚度曲線冪次調(diào)整后關(guān)鍵截面應(yīng)力值的模擬結(jié)果，當(dāng)梁底板厚度曲線冪次增大，邊跨跨中頂、底緣應(yīng)力均逐漸減??；中跨以及墩梁固結(jié)段截面的頂、底緣應(yīng)力則穩(wěn)中有升。主梁節(jié)點(diǎn)撓度隨梁底板厚度曲線冪次的增大而平緩變化。

4.2.3 根部和跨中梁高比

不同高跨比下關(guān)鍵截面彎矩取值模擬結(jié)果見(jiàn)表5。由此可知，高跨比調(diào)整后主墩墩頂和中跨跨中彎矩表現(xiàn)出不增反降的趨勢(shì)；墩梁固結(jié)段和邊跨跨中彎矩則增大。以上變動(dòng)趨勢(shì)均較為緩和。

經(jīng)過(guò)以上分析看出，該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁底曲線冪次及梁底板厚度曲線冪次調(diào)整有助于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，高跨比調(diào)整則有助于設(shè)計(jì)參數(shù)選定和設(shè)計(jì)方案優(yōu)化^[6]。

4.3 主梁及橋墩承載力驗(yàn)算

根據(jù)對(duì)主梁抗彎及抗剪承載力的驗(yàn)算，箱梁彎矩和剪力設(shè)計(jì)值均在梁抗力包絡(luò)中，說(shuō)明主梁結(jié)構(gòu)抗彎和抗剪承載力符合要求。

從主橋計(jì)算模型中提取橋墩墩頂?shù)捉孛孀畲蟆⒆钚≥S力對(duì)應(yīng)的彎矩以及最大、最小彎矩對(duì)應(yīng)的軸力展開(kāi)驗(yàn)算。橋墩最不利截面的內(nèi)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。針對(duì)主墩和次邊墩近肢墩頂截面展開(kāi)承載力驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)表7，各截面承載力均符合要求。

4.4 成橋穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋成橋階段內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，主墩遠(yuǎn)肢墩底軸力較大，為此，以主墩遠(yuǎn)肢墩底軸力最大時(shí)的荷載為穩(wěn)定工況，并以結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、系統(tǒng)升溫、風(fēng)荷載等為屈曲分析變量，通過(guò)Midas Civil模型展開(kāi)橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)分析。根據(jù)失穩(wěn)模態(tài)模型可知，剛構(gòu)橋成橋階段最小失穩(wěn)特征值僅為26.5，結(jié)構(gòu)具備較好的成橋穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

綜上所述，該橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋形式后，使該橋型施工簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)美觀、養(yǎng)護(hù)方便，造價(jià)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮。施工過(guò)程控制結(jié)果也與有限元模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案下主橋構(gòu)件尺寸的合理性及施工方案的適用性。該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋于2021年2月建成運(yùn)行，竣工驗(yàn)收結(jié)果表明，橋梁具有足夠剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，承荷性能符合設(shè)計(jì)要求。

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收稿日期：2023-10-10

作者簡(jiǎn)介：謝志惠（1970—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：公路與橋梁。