东牙溪大桥主桥设计

陈敬仲

（中铁第一勘察设计院集团有限公司厦门分公司，福建厦门 361012）

1 工程概述

东牙溪大桥位于福建省三明市富兴堡街道上游的村头村，为“国省干线横六线三元区村头至荆东公路段一期工程村头至槐林段”中的分项工程，工程设计起点位于现状省道306加油站南侧的堆煤场处，与现状省道306顺接，沿麦克奥迪光学厂北边的小山坡跨越东牙溪后，在富兴变电站后山的南侧山坡自北向南展线，终点与306省道改线配套工程平交，路线长度1.122 km。

桥梁起点接省道306，起点里程K0+037.4，终点里程为K0+735.1，全长697.7 m。桥梁孔跨布置为 3 ×30m+2×30m+3×40m+50 m+4×80 m+50 m，按4联设置。主桥采用预应力混凝土变截面箱型连续刚构桥，引桥采用预应力混凝土等截面箱型连续梁桥。

2 桥型布置

主桥采用整体断面，桥宽为21 m，主桥平面位于R=550 m的圆曲线上。

主桥主墩9#～13#桥墩采用双薄壁墩，墩梁固结，墩台基础均采用钻孔灌注桩基础。

主桥桥型布置见图1，横断面布置见图2。

图1 主桥桥型布置图（单位：cm）

图2 主桥箱梁横断面布置图（单位：cm）

3 主桥结构设计

3.1 箱梁结构尺寸

主梁采用变高度预应力混凝土箱梁，单箱双室箱形截面，支点梁高5.0 m，跨中梁高2.4 m，梁高按1.6次抛物线变化，箱梁顶宽21 m，悬臂长4 m，箱底宽13 m，顶板厚0.28 m，底板厚0.26～0.6 m，一般段腹板厚0.5 m，中支点附近腹板厚0.7 m。主墩设双中横隔梁厚1.3 m，对应双薄壁墩设置，端横隔梁厚1.5 m，主跨跨中设横隔板，桥面板横向按桥面横坡设置，梁底面平行于桥面设置，横向梁高相等，支点处梁底设垫块调平。箱梁横断面见图3。

图3 箱梁横断面图（单位：cm）

3.2 箱梁预应力体系

主梁采用预应力混凝土结构，纵、横、竖三向预应力体系，塑料波纹管成孔，真空灌浆工艺。纵向预应力采用19-φs15.24、17-φs15.24、12-φs15.24和9-φs15.24群锚体系；横向预应力采用BM3-φs15.24扁锚体系，间距0.5 m；竖向预应力采用D25精扎螺纹钢筋，间距0.5 m。

本桥主桥采用悬臂浇筑施工，主梁0＃节段在墩旁支架上浇注，1#～10#梁段采用挂篮悬臂浇注，0＃节段长11 m，合拢段长2.0 m，悬臂浇筑梁段长为3.0～4.0 m。施工挂篮及模板总重应控制在900 kN之内。预应力立面布置见图4。

3.3 下部结构

9#～13#主墩墩身采用双薄壁墩，墩厚为1.3 m，墩宽13 m，双薄壁中心距3.8 m，墩身横桥向按道路中线径向布置，墩高约30～50 m，主墩与梁体固结；主墩10号、11号和12号墩因墩高较高，在墩中间区段设置一道横系梁，以增加高墩的稳定性。主墩基础采用12根φ1.8 m钻孔灌注桩，承台厚3.5 m。

4 结构计算与分析

4.1 纵向静力计算模式及荷载

主桥采用Midas Civil进行空间计算，计算模型见图5。本桥主桥共5处悬臂浇筑的T构段，考虑挂篮成本，使用3对挂篮先进行中间3个墩的T构梁段的施工，跨中合拢后，再进行次边墩T构梁段的施工，再合拢次边跨和边跨。主桥模拟实际施工步骤到成桥运营进行计算，计算中考虑了桩与地基土的相互作用。计算荷载包括：自重、二期恒载、预应力的加载、混凝土不同龄期的收缩和徐变、施工荷载等影响。在成桥运营阶段，考虑了汽车荷载、人群荷载、支点沉降、制动力、温度力、风力等作用与影响。其中温度计算考虑了体系升降温，梁的温度梯度。

除上述计算外，对高墩的自体稳定性、上部结构最大悬臂状态的施工稳定性和全桥的稳定性进行分析。

另外，在下部结构计算中，对纵横向风力及各种作用引起的墩截面的扭矩也进行了计算组合。

4.2 上部结构纵向静力计算结果

由于篇幅限制，本文只列举主要计算结果。

（1）施工阶段验算

施工阶段标准组合混凝土正截面应力验算结果：最大压应力为12.37 MPa，小于规范规定的容许压应力22.68 MPa，最大拉应力为-0.52 MPa，满足规范受力要求。

（2）运营阶段验算

正常使用阶段承载能力基本组合正截面强度安全系数最小值为：K=1.04，位于中跨跨中；斜截面抗剪强度安全系数最小值为：K=1.15，位于桥墩支点位置；截面抗扭承载力安全系数最小值为：K=1.03，位于梁端支点位置，满足规范受力要求。

正常使用极限状态短期效应组合正截面抗裂验算结果：正截面应力除在梁端上缘局部位置出现拉应力外，其它位置均受压，最小压应力为0.37 MPa，位于中跨1/4跨附近下缘，满足规范受力要求；斜截面抗裂验算结果：斜截面主拉应力除在梁端局部位置出现超限的拉应力外，其它位置的最大拉应力为-0.86 MPa，位于桥墩支点附近，小于规范规定的容许拉应力-1.325 MPa，满足规范受力要求。

正常使用极限状态长期效应组合正截面抗裂验算结果：正截面应力除在梁端上缘局部位置出现拉应力外，其它位置均受压，最小压应力为0.58 MPa，位于中跨1/4跨附近下缘，满足规范受力要求。

图4 钢束立面布置图（单位：cm）

图5 有限元计算模型

正常使用持久状况标准组合正截面压应力验算结果：正截面最大压应力为15.2 MPa，小于规范规定的容许压应力19.44 MPa，满足规范受力要求；斜截面主压应力验算结果：斜截面最大主压应力为15.2 MPa,小于规范规定的容许压应力19.44 MPa，满足规范受力要求。

正常使用极限状态按荷载短期效应组合计算的长期挠度最大值57.8×1.425=82.4 mm，扣除结构的自重产生的长期挠度后，在次边跨的跨中，产生最大的长期挠度值46.2mm，小于L/600=133mm，满足规范受力要求。

4.3 预拱度的设置

大跨径桥梁预拱度分为施工预拱度和成桥预拱度。设置施工预拱度主要是为消除施工过程中各种荷载对线形的影响并预留成桥预拱度。成桥预拱度主要是为了消除后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力的损失、活载变形等而设置预拱度。预拱度理论计算公式如下：

式中：f1i——由结构自重、收缩、徐变、温度、结构体系转换、二期恒载等影响，对i点产生的挠度计算值；

f2i——由张拉预应力束对i点产生的挠度计算值；

f3i——本施工阶段及以后浇筑各段的施工临时荷载对i点产生的挠度计算值。

本桥采用Midas Civil程序模拟实际施工步骤到成桥运营进行计算，式中f1i、f2i、f3i及后期运营过程中的收缩徐变、后期预应力的损失、活载变形等均可由程序计算得到。结合程序，预拱度最终可按下面公式计算：

预拱度=程序最后一个施工阶段累计结果（考虑混凝土三年的收缩徐变）+（-1/2可变荷载效应）+（-挂篮变形）

4.4 箱梁横截面静力分析计算

箱梁横截面分析对象取跨中和墩顶截面。跨中截面取延纵桥向1 m宽，结构计算模型为腹板底部支承的框架；墩顶横梁计算取端、中横梁的相应受力宽度，支承位置按实际支座位置。计算中考虑了箱梁自重、桥面二期恒载、预应力、混凝土收缩徐变、汽车荷载、人群荷载、箱梁桥面板梯度温度（或箱室内外温差）等荷载。

5 结论

通过对东牙溪大桥主桥进行结构设计分析，桥梁各部分均满足规范受力要求，结构安全可靠。高墩、大跨、桥宽是该桥的突出特点，也是设计的重点和难点。因连续刚构桥的变形小，结构刚度好，行车平顺舒适，伸缩缝少，养护简单，抗震能力强等优点，使得连续刚构桥几乎是大跨径预应力混凝土梁桥的优胜方案。本文就该桥的设计及计算分析作一些简要叙述，希望为今后同类桥梁的设计提供参考。

[1] JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[2] JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3] 马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 雷俊卿.桥梁悬臂设计与施工[M].北京：人民交通出版社,2005.