红海大桥主桥设计

廖智明

（泛华建设集团有限公司深圳设计分公司，广东深圳 518000）

1 工程概况

作为东莞市统筹水乡地区发展先期项目，同时亦是石龙镇2012年二十项重点工程之一，建成后将成为石龙老城区连接红海物流园区的重要通道，也是东莞连接广州、惠州的北大门，它的建设将为东莞、惠州两地的经济和社会发展起到重要作用。

红海大桥设计采用一级公路标准，设计车速60 km/h。主桥整幅设置，总宽度为22.0 m，双向四车道，两侧设2.5 m宽人行道，该桥跨越处东江北支流为Ⅲ级航道，桥梁轴线方向与河道夹角81°，起点与石龙镇规划中的沿江路平交，终点接红海区规划路，由于两端高程限定了纵坡的起坡位置，且根据广东省航道局文件，红海大桥通航孔净高Hm不小于8 m，通航孔净宽Bm不小于117.4 m，上底宽b不小于98 m，侧高h不小于6 m，鉴于以上条件的限制，经过详细的方案比选后，主桥采用了变截面预应力混凝土连续刚构箱梁结构。

2 总体布置设计

红海大桥中心桩号K0+359.258，桥跨组合为(9 m+3×13 m+11 m)+5×25 m+(76 m+128 m+76 m)+20 m+8×25 m，桥梁长687 m。上部结构主桥(76 m+128 m+76 m)采用变截面预应力混凝土连续刚构箱梁；主桥桥型布置见图1。

3 基本尺寸拟定

3.1 主梁断面的选择

桥面全宽22 m，对于这种情况，主梁可采用单箱单室，也可采用单箱双室结构，见图2。但由于单室箱梁需采用大吨位纵向预应力束，应力集中现象更为显著，且单室箱梁的剪力滞效应也较为明显，箱梁的有效宽度存在一定程度的折减。另外，近几年来，大跨径单室箱梁桥顶板、腹板开裂现象较为普遍，而且单室较双室箱梁施工难度大、风险高，因此推荐采用单箱双室断面。

3.2 主梁结构尺寸

主桥76 m+128 m+76 m为预应力混凝土连续刚构箱梁，采用悬浇施工，按全预应力结构设计。箱梁梁高和底板厚度均按2次抛物线设计，采用单箱双室预应力混凝土结构。梁高从跨中（边跨端部）3.2 m变化到主墩根部7.5 m。两侧悬臂部分均为3.75 m，悬臂根部厚度为90 cm；底板宽14.5 m，顶板宽22.0 m，厚度30 cm；腹板厚度采用45 cm、60 cm、75 cm三种厚度，10＃块腹板厚度从75c m变化到60 cm，14＃块腹板厚度从60 cm变化到45 cm，边跨现浇段从18＃截面45cm腹板变化到19＃截面腹板厚度60 cm；箱梁底板厚度从30 cm变化到根部100 cm。箱梁横坡由腹板高度调整，底板保持水平，顶板横向从设计线往外侧设置2%的横坡，设计线1 m范围内横坡为0%。

3.3 预应力钢束设置

主桥设置纵向、横向和竖向的三向预应力。预应力钢绞线采用公称直径φs15.2 mm低松弛钢绞线，其抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa。

纵向预应力设置了顶板束、底板束和腹板束。除边跨T17～T18顶板束采用单端张拉外，其余钢束均采用两端张拉，钢束张拉控制应力为σcon=0.75 fpk=1 395 MPa(部分钢束张拉控制应力为1 300 MPa)，钢束伸长量均已扣除10%的初张拉，管道采用塑料波纹管成孔，采用真空灌浆技术。

图1 主桥桥型布置图（单位：cm）

图2 主梁断面对比（单位：cm）

图3 主梁横断面构造图（单位：cm）

横向预应力：横向预应力钢束采用φs15.2-3钢绞线，相邻两根钢束采用交错张拉锚固，钢束张拉控制应力为σcon=0.75 fpk=1 395 MPa，钢束伸长量均已扣除10%的初张拉，预应力管道采用配套塑料扁形波纹管，采用真空压浆工艺灌浆。

竖向预应力：竖向预应力束采用φs15.2-3钢绞线，钢束张拉控制应力为σcon=0.65fpk=1 209 MPa，管道采用塑料波纹管成孔，采用真空灌浆技术。竖向预应力须采用二次张拉工艺。

3.4 下部结构设计

为了加强后期抗船舶撞击的能力，主墩墩身采用空心墩，船舶可能撞击的墩身范围采用实心截面。主墩墩身厚度为280 cm，墩宽1 630 cm，为减少水流阻力，墩身两端采用三角截面，主墩基础采用8根Φ250 cm钻孔灌注桩，采用嵌岩桩设计。为增加有效通航净宽，确保船舶航行安全，并且由于地形限制，连续刚构桥墩很矮，对受力很不利，按一般经验，连续刚构桥墩墩高需大于1/10主桥跨径。因此按航道部门要求，将通航孔桥墩承台埋至河床底面以下，主墩河床下挖深度约4 m。

过渡墩采用薄壁实心墩，墩身厚度为180 cm，墩宽1 550 cm，为减少水流阻力，墩身两端采用三角截面，承台下设置6根Φ180 cm钻孔灌注桩，采用嵌岩桩设计。

4 结构受力分析[1-5]

4.1 纵向计算

在设计时上部结构静力分析采用MIDAS2010与QJX4.0两套程序进行结构分析和相互校核，两个程序计算结果非常接近。主桥为主跨128 m的连续刚构桥，墩高15 m，墩高为单跨跨径的1/8.5，墩身刚度相对较大，因此在计算时必须考虑桩基的柔度。本计算根据实际地质资料采用桩基土弹簧模拟实际桩基受力情况。全桥共划分为597个节点和578个单元。结构离散图见图4。

图4 主桥计算机构离散图（MIDAS）

根据施工总体安排，共划分为21个施工阶段，对预应力混凝土连续刚构桥各阶段的受力情况进行了全面计算分析，计算荷载包括恒载、活载、支座不均匀沉降、温度变化、预应力及混凝土收缩、徐变等，根据本桥所处的具体地理、气候条件，基础不均匀沉降主墩按20 mm考虑，边墩按5 mm考虑，并人工进行最不利组合计算，结构整体升温按20℃计，整体降温按-20℃。梯度温度按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)规定的混凝土箱梁设计温度梯度计算：正温差T1=14℃，T2=5.5℃；负温差T1=-7℃，T2=-2.75℃，由于主桥下为东江北支流Ⅲ级航道，经过对船撞力的分析，采用修正后的沃辛公式计算的船撞力考虑，横桥向F＝7 000 kN；纵桥向3 500 kN。本桥按10 a来考虑混凝土收缩徐变影响。

4.1.1 持久状况承载能力极限状态计算

主桥按公路桥规JTG D60-2004第4.1.6条承载能力极限状态效应组合进行承载力验算，主梁的承载力和内力包络见图5、图6。

图5 主梁正截面抗弯承载能力包络图(单位：k N·m)

图6 主梁斜截面抗剪承载能力包络图(单位：kN)

由图5、图6可知：抗弯强度包络线和抗剪强度包络线完全包住承载能力极限状态最不利荷载组合的最大正负弯矩设计值和最大正负剪力设计值。并且根据规范要求对

4.1.2 持久状况正常使用极限状态计算

（1）正截面抗裂

根据计算，主梁最小压应力为0.346 MPa，出现在中支点处，中跨跨中压应力为0.667 MPa，主梁上、下缘除边支点附近外均未出现拉应力，故正常使用阶段正截面抗裂满足规范要求。

（2）斜截面抗裂（计入竖向预应力作用）

主梁在短期组合作用下，考虑竖向预应力的作用，斜截面抗裂均能满足规范要求，即σtp≤0.4 ftk=1.096 MPa。

4.1.3 持久状况和短暂状况构件的应力计算

（1）正截面混凝土的法向压应力

本桥使用阶段构件正截面最大压应力为16.24 MPa，小于规范限值17.75 MPa，使用阶段主梁正截面混凝土的压应力满足要求。

（2）受拉区预应力钢筋的最大拉应力

由计算可知，使用阶段预应力钢筋拉应力最大为1 198.4 MPa。受拉区预应力钢筋的最大拉应力能够满足规范要求，即 σpe+σp≤0.65 fpk=0.65×1 860 MPa=1 209 MPa。

（3）斜截面混凝土的主压应力（已计入竖向预应力作用）

标准组合作用下，构件截面最大主压应力为16.24 MPa，满足规范限值 σcp≤0.6 fpk=0.6×35.5=21.3 MPa，使用阶段主梁截面混凝土主压应力能够满足要求。

根据计算可知，满足相关施工阶段预压区混凝土最大压应力要求、施工阶段预拉区混凝土拉应力要求及挠度要求。

4.2 横向计算

由于箱梁的横断面可看成一个框架结构，其受力状况较为复杂，为了查明在桥面板受力是否满足要求，以及底板预应力钢束径向力作用下，箱梁在各梁段底板上下缘横向钢筋设计是否满足要求，需对箱梁主要控制梁段进行横向分析。

横向预应力可加强桥梁的横向联系,增加悬臂板的抗弯能力。箱梁的横向作为被支承在主梁腹板中心线下缘的箱形框架进行设计,计算时沿顺桥向取单位长度为1 m,考虑各种不同的布载情况。主桥取支点截面、跨中截面、1/4跨等具有代表性的截面进行计算,横梁重力按实际施加，同时支点截面将纵向计算时永久作用和除汽车、人群以外的可变作用引起的支反力标准值作为永久荷载平均施加在横梁的各腹板位置，汽车、人群荷载在其实际作用范围按最不利加载。

由于此结构为外部静定结构，均匀温度变化不会产生内力，温度应力沿单元截面呈直线变化，按升、降温分别考虑。

4.3 桥墩计算

红海大桥的主墩采用空心薄壁墩，考虑到船舶撞击的影响，在船舶可撞击范围内采用实心结构，针对主墩结构主要进行施工阶段验算及使用阶段验算，施工阶段验算采用最不利工况，即最高墩的最大双悬臂状态，不对称荷载考虑了以下几个方面：（1）主梁悬臂施工过程中一端挂篮脱落；（2）考虑模板变形（涨箱）等因素，节段施工超前的悬臂混凝土自重增加4%；（3）参照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01－2004）4.5.1条，风荷载加载时，考虑了不对称加载工况。节段施工超前的悬臂横向风荷载按规范公式计算；而滞后的悬臂仅取计算结果的一半。使用阶段验算主要考虑汽车荷载、温度荷载、基础沉降、汽车制动力、风载及船舶撞击力等的影响，采用有限元分析方法，建立最大双悬臂阶段和运营阶段的模型，最后通过计算确定红海大桥下部结构的截面及配筋。

5 主桥设计措施

5.1 桥面铺装问题

红海大桥位处石龙老城区与红海物流园区间的一个重要通道，原要求采用水泥混泥土路面结构，由于采用水泥混凝土铺装将使主桥结构压应力偏大，需采用高标号混凝土，因此设计时提出采用沥青混凝土铺装减小主梁混凝土标号，保证施工质量。

5.2 船撞力问题

鉴于影响船舶撞击力大小的因素较多，涉及船型、船舶排水量、行驶速度、桥墩尺寸强度及弹性性能等诸多因素，目前我国现行《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）所规定的内河船舶撞击力偏小，不宜作为船舶撞击力设计值控制设计，红海大桥根据几种国内外常用经验公式计算后采用修正的沃辛公式计算结果作为船舶撞击力的取值，能满足桥梁结构安全性及桥梁方案的经济性。考虑到船撞撞击的要求，在满足桥墩柔度及满足施工中可能出现的不平衡重量的要求，红海大桥选用单薄壁墩形式，因为单薄壁墩的防撞性能远优于双薄壁墩。同时双薄壁墩将增加桥梁主跨跨径，且会引起水流紊流，不利通航及泄洪。

5.3 主梁顶推力的选用

由于本桥是刚构体系，合龙后由于框架效应预应力次效应剪力、收缩徐变次效应剪力均是向内的，因此有必要在合拢前设置反向的顶推力，其目标值是使墩身达到受力最优化，为了避免出现顶推力不足或过大的局面，现有工程经验介绍一般建议顶推力取值按照全部预应力次剪力加上收缩徐变次剪力，通过对合拢顶推力的优化计算，得出理论最优顶推力应取为1 000 kN。

6 结语

预应力混凝土连续刚构桥，是大跨径桥梁的主要桥型之一，外观简单大方，力学模型明晰，具有可靠的强度、刚度及抗裂性能，同时有着变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、养护简易及抗震能力强等优点，本次设计对大桥上、下部得构造尺寸进行了严谨的设计，并通过对桥梁进行结构计算分析，对桥梁上下部等各项指标都进行可比较严格的控制，力争避免出现同类型桥梁的弊病，保证大桥在设计基准期内能安全、高效的运营。红海大桥已于2012年12月28日正式开工，预计2015年6月建成通车。

[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]雷俊卿.桥梁悬臂施工与设计[M].北京:人民交通出版社,2000.

[4]马保林.高墩大跨连续钢构桥[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5]徐君兰,顾安邦.连续刚构桥主墩刚度合理性的探讨[J].公路交通科技,2005(2):59-62.