虎门二桥62.5m跨预制节段拼装PC连续刚构桥上部结构设计

刘海龙，徐德志

(广东省公路勘察规划设计院股份有限公司)

1 概 述

虎门二桥工程起于广州市番禺区东涌镇，顺接南二环高速公路，同时与广珠北线高速公路连接，经广州市番禺区、南沙区、先后跨越大沙水道、海鸥岛、坭洲水道后，穿越虎门港进入东莞市沙田镇，终点与广深沿江高速公路相接，并预留东延穿越厚街镇、大岭山至寮步镇出口。虎门二桥工程上游距珠江黄埔大桥约20 km，下游距虎门大桥约10 km。本项目的建设，对于缓解虎门大桥交通压力、改善珠江番莞两岸交通流结构，完善广东省高速公路网、保障珠江两岸交通安全，均衡珠江两岸经济发展、促进珠江两岸经济崛起、实施广东省《珠江三角洲地区改革发展规划纲要》将起到至关重要的作用。

本项目部分引桥采用62.5 m 跨径的预制节段拼装PC连续刚构桥的结构形式，其所用到的节段拼装技术和体外预应力技术目前已成为新建混凝土梁桥的核心技术。

2 上部结构设计

节段预制箱梁标准宽度20 m，采用单箱双室的断面形式，悬臂长度3.6 m，箱室宽5.4 m，外腹板设计为斜腹板，斜率1/2.5。箱梁高度按等梁高设计，高3.6 m。

箱梁顶板厚度28 cm，底板厚度跨中为27 cm，在接近墩顶处通过4 次加厚变化成47 cm。中腹板厚度跨中为40 cm，边腹板为45 cm，与底板变厚方式相同，中腹板在墩顶增加为60 cm，边腹板在墩顶增加为65 cm。

桥梁纵桥向根据具体情况分为3 跨、4 跨或5 跨一联，边跨由:3 m 预制节段+2 ×2.55 m 预制节段+8 ×3 m 预制节段+0.2 m 湿接缝+6 ×3 m 预制节段+4 ×2.55 m 预制节段+3.7 m 墩顶预制节段/2 组成，中跨由:3.7 m 墩顶预制节段/2 +4 ×2.55 m 预制节段+6 ×3 m 预制节段+0.2 m湿接缝+2 m 跨中合龙预制节段+0.2 m 湿接缝+6 ×3 m预制节段+4 ×2.55 m 预制节段+3.7 m 墩顶预制节段/2组成，伸缩缝梁端距桥跨分界线15 cm。上部结构采用C55混凝土，墩顶预制段最重，重约186.1 t，跨中合龙预制节段最轻，重约78.2 t。

端横隔梁厚2.25 m，中横隔梁厚3.2 m。横隔梁采取部分后浇的形式，在预制部分和后浇部分浇筑面上设置两条贯通箱梁腹板和顶底板的剪力槽，以保证新旧混凝土的黏结质量。端横隔梁剪力槽深10 cm，宽45 cm，中心距90 cm，中横隔梁剪力槽深10 cm，宽60 cm，中心距190 cm。由于箱梁设有纵向体外预应力束，其梁端锚固点位于端横隔梁上，为了抵抗体外束在端横隔梁内产生的拉应力，在端横隔梁内侧面设置了三层共30 束规格为5φs15.2 的竖向预应力束。

箱梁纵向预应力体系采用体内束加体外束的形式。其中，悬臂拼装施工阶段的钢束采用体内束，整联拼装完成后张拉整跨和两跨、三跨通长体外束。体外束采用规格为27φs15.2 的填充型环氧涂层钢绞线。体内束张拉控制应力取1 395 MPa，体外束张拉控制应力取1 209 MPa。体外束与体内束的用量比例为1 ∶2.45。

预制节段间采用环氧树脂黏结接缝。在端部匹配面上设置剪力键，如图1 剪力键布置图。剪力键深4 cm，在中腹板处其与腹板同宽，在边腹板处，为了美观考虑，其宽度比腹板窄6 cm，间隔24 cm 在一个腹板上共布置10 个剪力键。顶、底板处以及顶底板和腹板交界处根据结构断面尺寸，亦设置宽高合适的剪力键。

节段拼装的施工步骤是:(1)在接缝处满涂环氧树脂;(2)匹配下一梁段并张拉临时预应力，保证接缝间压应力不小于0.3 MPa 至环氧固化;(3)张拉相应悬拼钢束并灌浆;(4)进行下一梁段施工。

图1 剪力键布置图

3 上部结构计算

3.1 施工阶段划分和计算模型

结构计算利用专业桥梁分析软件MidasCivil2012 进行。共划分21 个施工阶段，施工阶段划分见表1。

表1 施工阶段划分表

3.2 计算荷载及荷载组合

上部结构计算中所考虑的荷载有:恒载、活载、预应力、温度、基础沉降、制动力、风荷载以及施工荷载。

荷载组合按照《公路桥涵设计通用规范》相关规定执行。

3.3 设计计算内容

上部结构按全预应力混凝土构件进行设计。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62－2004)和《公路体外预应力混凝土桥梁设计指南(送审稿)》进行如下内容的验算:

(1)持久状况承载能力极限状态截面强度计算;(2)持久状况正常使用极限状态抗裂计算;

(3)持久状况构件的应力计算;

(4)短暂状况构件的应力计算。

3.4 计算结果

(1)持久状况承载能力极限状态计算

(2)持久状况正常使用极限状态计算

图2 结构抗弯、抗剪承载能力包罗图

短期效应组合下混凝土正截面(封锚端除外)上下缘均未出现拉应力，上缘最小压应力为－1.2 MPa，最大压应力为－13 MPa，下缘最小压应力为－ 2 MPa，最大压应力为－13.8 MPa。满足规范要求。

短期效应组合下混凝土斜截面(封锚端及墩顶横梁除外)主拉应力在墩顶附近最大为0.94 MPa，其余位置都在0.5 MPa以下，满足规范要求。

(3)持久状况构件的应力计算

在使用荷载作用下，持久状态预应力混凝土构件的法向压应力(扣除全部预应力损失)上缘最大为－17.4 MPa，下缘最大为－14.3 MPa。持久状态预应力混凝土构件的主压应力最大为－18.1 MPa，满足规范要求。

(4)使用阶段预应力钢束应力验算

使用阶段预应力混凝土受弯构件中预应力钢筋的拉应力最大为1 194 MPa，满足规范要求。

(5)短暂状况构件的应力计算

短暂状态下预应力混凝土构件的压应力为－15.6 MPa，满足规范要求。

3.5 结语

随着现代桥梁技术的发展，节段预制拼装技术和体外预应力技术因具有理论先进、施工标准化程度高，速度快、对环境影响小等优势。在以后的桥梁工程项目中宜优先考虑此技术。

通过采用空间杆系有限元模型对桥梁整体进行模拟计算，可以得出:箱梁断面形式、梁高、预应力配置合适，结构是安全可靠的。

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

［2］武焕陵，崔冰，李宗平，等.南京长江第四大桥预制节段拼装箱梁的技术特色［J］.现代交通技术，2011，(6):26－29.