60?m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

【摘要】通過對橋型特點(diǎn)、適用性分析，表明預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)剛度好、跨越能力大、養(yǎng)護(hù)成本低，適用范圍更廣。文中結(jié)合某高速60 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嵗?，根?jù)橋位處地質(zhì)、地形條件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，分別合理確定了上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)方案；采用Midas有限元軟件選取相應(yīng)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明相應(yīng)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

【關(guān)鍵詞】連續(xù)剛構(gòu)橋；Midas有限元；計(jì)算分析

【中圖分類號】TU279.72 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）07-0130-03

0 引言

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋是采用墩梁固結(jié)的連續(xù)梁橋一種橋型，具備T形構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的特點(diǎn)，還具備結(jié)構(gòu)剛度好、行車舒適平順、少設(shè)伸縮縫、更大的跨越能力、養(yǎng)護(hù)簡單、造價較低等優(yōu)點(diǎn)[1]。連續(xù)剛構(gòu)橋一般需采用柔性橋墩，以適應(yīng)因預(yù)應(yīng)力的施加和混凝土收縮徐變造成的縱向位移，為進(jìn)一步減少橋墩縱向的位移，可通過柔性墩身構(gòu)造設(shè)置實(shí)現(xiàn)[2]。同時連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)理論明確，施工工藝成熟、安全，施工場地占用少，是高墩橋梁常用橋型方案[3]。文中通過對某高速60 m連續(xù)剛橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案介紹，并經(jīng)有限元計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1 工程概況

本橋位于G4222高速安徽金寨縣張沖鄉(xiāng)張沖村附近，橋梁跨越X068及響洪甸水庫。

1.1 工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

①汽車荷載等級：公路-I級。②設(shè)計(jì)時速：100 km/h。③抗震等級：抗震設(shè)防烈度為Ⅶ。④橋涵重要性系數(shù)：γ0 ＝ 1.1。⑤環(huán)境類別：本工程環(huán)境類別為Ⅰ類。⑥橋梁斷面：路基寬26 m，雙向四車道，路基兩側(cè)土路肩分別壓縮0.25 m，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬12.5 m，單幅標(biāo)準(zhǔn)斷面布置：0.5 m（護(hù)欄）+11.5 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄）。

1.2 橋位處地質(zhì)條件

1）區(qū)域地形地貌。橋梁附近區(qū)域地貌單元屬于中低山區(qū)，微地貌為侵蝕低起伏山。擬建橋梁跨越道路及水庫，溝谷呈“U”形，道路寬約10 m，跨越水庫寬度約120 m，水庫水深約5 m。

2）地層巖性?？辈毂砻?，在勘探所達(dá)深度范圍內(nèi)，上覆土層為填土層、沖積層，下伏基巖為閃長片麻巖層。

3）地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)區(qū)域資料和本次勘察，橋位區(qū)域位置未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性良好。結(jié)合本橋地質(zhì)調(diào)繪，僅在橋臺位置發(fā)現(xiàn)有發(fā)育2組節(jié)理裂隙。

4）地下水及地表水。橋位范圍內(nèi)分布有響洪甸水庫，橋梁跨越處寬約120 m，溝底水深約5.0 m。本次勘察地下水埋深0.50～5.00 m，水位高程為121.32～191.66 m。

5）不良地質(zhì)與特殊性巖土。擬建橋位處，無滑坡、崩塌、巖溶等的不良地質(zhì)。擬建橋位處的特殊性巖土主要為分布于現(xiàn)狀鄉(xiāng)村道路的填土，本次勘察最大揭露厚度為7.80 m。擬建橋梁采用樁基礎(chǔ)，對橋梁工程建設(shè)影響較小。

6）地質(zhì)評價。第①1層種植土工程性質(zhì)較差，承載力低；第①2層素填土工程性質(zhì)較差，承載力低；第②1層粗砂工程性質(zhì)一般，承載力一般 ；第②2層圓礫，中密-密實(shí)，工程性質(zhì)較好，承載力較高；第③1層強(qiáng)風(fēng)化閃長片麻巖工程性質(zhì)較好，承載力較高；第③2層中風(fēng)化閃長片麻巖工程性質(zhì)好，承載力高，但風(fēng)化不均勻，軟硬不均。場地地層總體分布較連續(xù)，均勻性較好。

7）橋臺穩(wěn)定評價。小樁號橋臺自然邊坡坡度25°，上部主要為強(qiáng)風(fēng)化層，厚度一般在3.20 m。根據(jù)赤平投影分析，天然邊坡與巖石層面及L2逆向，與裂隙L1及L3斜交。大樁號橋臺自然邊坡坡度30°，上部主要為強(qiáng)風(fēng)化層，厚度一般在1.30 m。根據(jù)赤平投影分析，天然邊坡與巖石層面逆向，與裂隙L2大角度順傾，與裂隙L1、L3斜交。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，巖層層理、裂隙及巖性共同對邊坡穩(wěn)定起主導(dǎo)作用，邊坡巖體整體較穩(wěn)定。

2 橋梁總體設(shè)計(jì)

1）平面參數(shù)。橋平面分別位于圓曲線（起始樁號：K119+274.5，終止樁號K119+904.387，半徑4 200 m，右偏）和直線（起始樁號K119+904.387，終止樁號K119+920.5）上。

2）縱斷面參數(shù)。項(xiàng)目橋梁縱斷面設(shè)計(jì)主要有路線控制，橋梁范圍內(nèi)路線縱坡由-2%變至-1%，變坡點(diǎn)為K119+280，豎曲線半徑為40 000 m。

3）橋跨總體布置。左幅橋梁起點(diǎn)樁號K119+274，終點(diǎn)樁號K119+921，中心樁號K119+597.5。左幅跨徑3×40+3×40+4×32.5+（35+60+35）+（30+2×40+30） m，全長

647 m（含橋臺）；右幅橋梁起點(diǎn)樁號K119+274，終點(diǎn)樁號K119+911，中心樁號K119+592.5，右幅跨徑3×40+3×40+（35+40+35）+（35+60+35）+（30+3×40） m，全長637 m（含橋臺）；左右幅橋梁均為正交。

上部結(jié)構(gòu)主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，下部結(jié)構(gòu)采用空心墩，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、實(shí)體墩、空心墩，橋臺采用柱式臺，基礎(chǔ)擬采用樁基礎(chǔ)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部結(jié)構(gòu)

主梁采用單箱單室直腹板箱型斷面[4-5]，箱梁頂板寬12.5 m，底板寬為7.0 m，懸臂寬2.75 m，橋面橫坡靠箱梁頂、底板斜置形成，箱梁腹板鉛垂設(shè)置；支點(diǎn)箱梁高度為3.5 m，跨中箱梁高度為1.8 m，變化曲線采用二次拋物線；腹板厚度由跨中向中支點(diǎn)由500 mm變化到650 mm，5#塊箱梁腹板厚度由500 mm線性漸變?yōu)?50 mm，0#塊箱梁腹板厚度650 mm線性漸變至950 mm，其他箱梁腹板厚度按500 mm等厚設(shè)置；箱梁頂板和跨中底板厚度分別為280 mm、300 mm，靠近主墩附近底板厚600 mm，厚度變化曲線采用二次拋物線；箱梁中支點(diǎn)橫隔梁寬度為3 m，梁端端橫梁梁寬為1.5 m。

箱梁采用C50現(xiàn)澆混凝土。箱梁采用縱向、橫向、豎向預(yù)應(yīng)力體系，其中橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用3股鋼絞線，采用單向張拉工藝；縱向預(yù)應(yīng)力鋼束分別采用19、16、12股鋼絞線，采用雙向或單向張拉工藝；豎向預(yù)應(yīng)力筋采用常規(guī)的直徑32 mm的精軋螺紋粗鋼筋，二次張拉工藝，以減少豎向預(yù)應(yīng)力損失。

60 m主橋預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁共劃分為10個節(jié)段，為0#～10#節(jié)段。其中0#節(jié)段長度為10 m；1#～4#節(jié)段長度為3.0 m；5#～7#節(jié)段長度為4.0 m；8#和9#節(jié)段為合攏節(jié)段，長度為2 m；13#節(jié)段為邊跨現(xiàn)澆段，長度為3.9 m。0#節(jié)段采用托架現(xiàn)澆，1#～7#節(jié)段懸澆施工工藝，13#節(jié)段采用托架或支架現(xiàn)澆，8#和9#節(jié)段采用掛籃現(xiàn)澆。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

主墩采用等截面空心薄壁墩，橫橋向?qū)?.0 m，順橋向?qū)? m。主墩順橋向兩側(cè)設(shè)置通風(fēng)孔，豎向按5 m交叉設(shè)置。墩底設(shè)泄水孔，可采用φ100 mm鋼管。空心墩與主梁采用墩梁固結(jié)。墩柱采用C40混凝土。矩形承臺尺寸8.5 m×8.5 m×3.5 m，下設(shè)4根直徑為2.0 m樁基，承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

過渡墩采用矩形墩接承臺和群樁基礎(chǔ)。墩頂設(shè)置高低蓋梁。矩形墩過渡墩蓋梁高2.2 m，墩柱長×寬=6.5 m×2.4 m，承臺尺寸為7.5 m×7.5 m×3.0 m（橫橋向×順橋向×高），下設(shè)4根直徑為1.8 m樁基，承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

墩身和蓋梁、柱間系梁采用C40混凝土，樁頂系梁和承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

4 橋梁計(jì)算分析

4.1 計(jì)算參數(shù)

1）箱梁自重 ：混凝土箱梁自重（含橫隔梁、端橫梁）。

2）二期恒載：包括橋面混凝土調(diào)平層、橋面鋪裝（瀝青混凝土）、橋梁護(hù)欄（混凝土），其中橋面現(xiàn)澆調(diào)平層僅作為荷載，不考慮參與箱梁受力，二期恒載數(shù)據(jù)為76.3 kN/m。

3）汽車可變作用：公路-I級。

4）均勻溫度作用：合龍溫度?。?8±3）℃ ，橋位處屬于溫?zé)岬貐^(qū)，按JTG D60―2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.12規(guī)定，結(jié)合混凝土橋最高、最低有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值，整體升溫取19 ℃ ，整體降溫取-24 ℃ 。

5）主梁豎向梯度溫度作用：采用100 mm厚瀝青混凝土鋪裝層，豎向日照正溫差計(jì)算溫度基數(shù)分別為14 ℃、5.5 ℃ ，反溫差取正溫差乘以-0.5。基礎(chǔ)變位：中支點(diǎn)為10 mm、邊支點(diǎn)為5 mm。環(huán)境年平均相對濕度：70%?；炷潦湛s徐變天數(shù)：3 650 d。鋼束回縮和錨具變形：每端6 mm。預(yù)應(yīng)力鋼束與管道壁的摩擦系數(shù)μ＝0.17（塑料波紋管）。管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)κ＝0.001 5。

4.2 有限元分析

主橋按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，采用Midas有限元分析軟件對主橋上部進(jìn)行計(jì)算分析，如圖1所示。按JTG D60―2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》和JTG 3362―2018《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》（以下簡稱《橋規(guī)（2018）》）相關(guān)規(guī)定為依據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算。

1）正截面抗彎承載力驗(yàn)算。按照《橋規(guī)（2018）》5.1.2-1驗(yàn)算γ0 S≤R，如圖2所示。

橋涵結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)乘以作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值小于構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值，正截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求。

2）斜截面抗剪承載力驗(yàn)算，按照《橋規(guī)（2018）》5.1.2-1驗(yàn)算γ0 S≤R，如圖3所示。

橋涵結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)乘以作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值小于構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值，斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求；按照《橋規(guī)（2018）》5.2.11或8.4.4進(jìn)行抗剪截面驗(yàn)算，滿足規(guī)范要求。

3）撓度驗(yàn)算及預(yù)拱度。按《橋規(guī)（2018）》6.5.3規(guī)定，鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件計(jì)算的長期撓度值，由汽車荷載（不計(jì)沖擊系數(shù)）和人群荷載頻遇組合在梁式橋主梁產(chǎn)生的最大撓度不應(yīng)超過計(jì)算跨徑的1/600，在梁式橋主梁懸臂端產(chǎn)生的最大撓度不應(yīng)超過懸臂長度的1/300。

按照《橋規(guī)（2018）》6.5.3驗(yàn)算如下：①78#節(jié)點(diǎn)最大撓度設(shè)計(jì)值 fd = 0.169≤最大撓度允許值 fn = 2，滿足規(guī)范要求；②70#節(jié)點(diǎn)最大撓度設(shè)計(jì)值 fd = -31.460≤最大撓度允許值 fn = 57.167，滿足規(guī)范要求；③39#最大撓度設(shè)計(jì)值 fd = -26.569≤最大撓度允許值 fn = 100，滿足規(guī)范要求。

4）腹板斜截面抗裂驗(yàn)算。按照《橋規(guī)（2018）》6.3.1-6公式σtp≤0.4 ftk驗(yàn)算 ：σtp=1.043 MPa（拉應(yīng)力）

≤ftk=1.060 MPa（拉應(yīng)力），滿足規(guī)范要求。

5）持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算。按照《橋規(guī)（2018）》7.1.5-1條公式σkc+σpc≤0.5 fck驗(yàn)算：頂緣σkc+σpc=

15.393 MPa≤0.5 fck=16.200 MPa，滿足規(guī)范要求；底緣σkc+σpc=5.365 MPa≤0.5 fck=16.200 MPa，滿足規(guī)范要求。

6）斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算。按照《橋規(guī)（2018）》7.1.6-1公式驗(yàn)算：σcp=15.394 MPa≤0.6 fck=19.44 MPa，滿足規(guī)范要求。

7）短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算。按照《橋規(guī)（2018）》7.2.8公式σtcc≤0.7 f ?ck驗(yàn)算：頂緣σtcc=12.134 MPa≤0.7 f ?ck=18.760 MPa，滿足規(guī)范要求。底緣σtcc=9.285 MPa

≤0.7 f ?ck=18.760 MPa，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

文中對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋從理論設(shè)計(jì)、適用性、養(yǎng)護(hù)等方面介紹了其優(yōu)勢，又結(jié)合實(shí)例，通過對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了介紹，并通過有限元軟件計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明滿足規(guī)范要求，為以后同類橋梁設(shè)計(jì)提供了主動性參考。

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[作者簡介]王金磊（1985—），男，合肥人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)、高速公路建設(shè)管理。