预应力混凝土单跨门式刚架桥设计研究

欧阳平，林　云，张晓宇

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



预应力混凝土单跨门式刚架桥设计研究

欧阳平，林云，张晓宇

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

预应力混凝土单跨门式刚架桥造型美观，是中、小跨径现浇混凝土桥梁的一种常用桥型。文章以某园区一景观桥梁为例，对预应力混凝土单跨门式刚架桥的设计进行了研究。

刚架桥；预应力混凝土；桩基础；设计

0　引言

随着我国交通事业的快速发展，大规模的桥梁建设对标准化施工要求越来越高，中、小跨径预制安装梁式桥得到空前的广泛应用。同时，随着城市建设的发展，人们对城市景观越来越重视，城市桥梁建设在要求标准化之外，也提出了更多的美观需求，因此对于城市景观桥梁尤其是处在公园、风景区等对景观要求较高的桥梁，越来越多采用结构造型丰富的现浇混凝土桥梁，如拱桥、刚架桥等。门式刚架桥是中、小跨径桥梁的一种常用桥型，该桥型立面根据需要可设计为圆弧形、椭圆形等优美的曲线，从而获得较好的景观效果。与拱桥相比，门式刚架桥基础不存在水平推力，对地基的要求相对较低，在地基软弱地区具有更强的竞争力。本文以某园区内一景观桥为例，对预应力混凝土单跨门式刚架桥设计进行研究。

1　工程概况

某新建校园，依山傍水，风景宜人。校园内有一山谷溪流汇入山脚下湖内，溪

流及湖水是该园区重点打造的水系景观。园区道路跨越该溪流设置一景观桥梁(见图1)，该处水面宽度约10 m，桥面高程119 m，水面高程115 m，桥下要求通行小船，净空高度3 m。园区道路宽6 m，以通行小车和人行为主。

图1　工程平面布置图

工程地质覆盖层为人工填土和粉质黏土，厚度为6～12 m，基岩为中风化泥岩和中风化泥质粉砂岩。

由于水面为人工开挖河床，水面宽只有19 m，因此该桥采用单跨结构形式。方案设计阶段选择预制安装简支梁桥、现浇混凝土拱桥、现浇混凝土门式刚架桥三种方案进行比较，其中简支梁桥工程造价最低，但桥梁造型简单，不符合园区景观要求。拱桥和刚架桥造型美观，都符合园区景观要求，两者相比由于拱桥基础工程庞大，工程造价较高，因此最终选择单跨门式刚架桥方案。

单跨门式刚架桥净跨径16 m，桥梁全长26 m，桥面总宽6.7 m，桥面净宽6 m，不设专用人行道。梁底面设计为R=3 600 m圆曲线，梁高0.7～1.6 m。基础采用单排桩基础，桩基直径1.2 m，承台厚1.5 m。桥面设双向1.5%横坡，梁顶铺4～8.5 cm厚混凝土铺装和28 cm厚木制桥面板(见图2)。

该桥施工先立模浇筑台柱混凝土，然后在原状地面上填筑土胎，充分压实后在土胎上浇筑硬化层，再在硬化层上铺设模板浇筑主梁混凝土，待桥梁施工完毕后再开挖桥下土胎及人工河道。该施工法相对搭设支架施工法更为简便和经济。

以下以该单跨门式刚架桥为例(下文简称“本桥”)，分别对预应力结构与混凝土结构选择、结构设计、预应力设计、基础边界条件对结构受力的影响等几个方面进行研究。

图2　门式刚架景观桥桥型总体布置图(单位：cm)

2　预应力结构与混凝土结构选择

过去中、小跨径门式刚架桥一般按钢筋混凝土结构进行设计，主要原因是以前预应力技术尚未普遍应用，需要找专门的施工队伍进行预应力张拉施工。而预应力技术发展至今已成为一种非常普遍的常规技术，不存在任何施工难度，因此本桥考虑采用预应力混凝土结构进行设计，并与钢筋混凝土结构进行了对比分析。

工程经济性比较：其中预应力混凝土结构按部分预应力A类构件设计，钢筋混凝土构件裂缝宽度按0.2 mm控制。工程经济性比较结果如表1所示。

表1　预应力混凝土结构与钢筋混凝土结构经济性比较表

注：各方案工程数量相同或接近的构件材料用量及工程费用未计入表中进行比较(如桥面铺装、护栏等)。

由表1比较结果可知采用预应力混凝土结构比钢筋混凝土结构普通钢筋用量节省8.2 t，而预应力钢筋只增加1.759 t，折算工程造价节省约2.8万元。因此对于小跨度现浇混凝土门式刚架桥，采用预应力混凝土结构具有更好的经济性。

结构耐久性比较：预应力混凝土结构A类构件设计不允许出现裂缝，能有效保护钢筋免遭有害物质侵蚀。而钢筋混凝土结构是按裂缝宽度控制进行设计的，使用过程中不可避免会存在裂缝，因此钢筋容易受到外界有害物质的侵蚀。因此预应力混凝土结构具有更好的结构耐久性。

综合上述，本桥采用预应力混凝土结构进行设计。

3　结构设计

3.1结构立面设计

单跨门式刚架桥立面设计主要是确定梁底曲线，该曲线决定了主梁的梁高变化，同时也影响外观视觉效果。总的来说采用较大的矢跨比曲线效果越显著，桥梁外观更接近拱桥，视觉效果更佳。不同矢跨比梁底曲线图如图3所示。但另一方面矢跨比越大主梁材料用量也越大，工程造价越高。通过比较分析，选用矢跨比1/20～1/15梁底曲线有较显著的视觉效果，同时结构受力较为合理，工程经济性较好。本桥梁底曲线取矢跨比1/17.8，圆弧半径R=3 600 m。

(a)矢跨比1/25

(b)矢跨比1/15

(c)矢跨比1/10

图3不同矢跨比梁底曲线图

3.2主梁设计

由于门式刚架桥跨中弯矩相对简支梁小，因门式刚架桥的跨中梁高可取较小值，可按1/20～1/25L进行设计，L为刚架桥的跨度。跨中梁高确定后根据立面设计确定的梁底曲线即可确定根部梁高和任意截面梁高。本文所述门式刚架桥跨中梁高取1/22.9L=0.7 m，根部梁高为1.6 m。

主梁截面常用的有实心截面、空心截面和箱形截面。实心截面方便施工但增加了结构自重荷载；箱形截面挖空率较大能最大限度减轻结构自重荷载，但增加了施工的难度；空心截面相对于实心截面能显著减轻结构自重荷载，虽然挖孔率相对较小，但由于挖孔可采用PVC管等不用拆卸的预埋管作为模版，因此施工相对简便。本文所述门式刚架桥设计采用空心截面，截面顶宽6.7 m，底宽4.0 m，两侧悬挑翼板各长1.35 m(见图4)。

图4　主梁跨中截面图(单位：cm)

3.3台柱设计

台柱的刚度与主梁的刚度比对刚架结构的受力有较大的影响，因此单跨门式刚架桥的设计应合理选择台柱截面高度，优化结构受力。本桥台柱设计通过对不同截面高度的对比分析，从而优化结构设计，分析结果见下页表2。从分析结果可知，随着台柱截面高度H增大，主梁跨中弯矩逐渐减小，主梁根部及台柱顶部弯矩逐渐增大。由于台柱为偏压构件，因此同等截面高度情况下其抗弯承载力要比主梁跨中截面高。根据各控制截面的承载力情况，当台柱截面高度H=0.7 m时结构内力分布最为合理，故本桥台柱截面高度取为0.7 m。

表2　不同台柱截面高度内力表

4　预应力设计

本桥按部分预应力混凝土A类构件设计，即在荷载短期效应组合最不利工况下混凝土拉应力≤0.7 ftk，在长期效应最不利组合工况下不出现拉应力，其中ftk为混凝土抗拉强度标准值。根据上述要求本桥主梁纵向预应力钢束需配置6束8φs15.2钢绞线钢束，单排布置，钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Es=1.95×105MPa，张拉控制应力σcon=0.72 fpk=1 339 MPa。台柱竖向预应力需配置22根JL32精轧螺纹钢筋，分两排布置，外侧一排12根，内侧一排10根，精轧螺纹钢筋标准强度fpk=785 MPa，弹性模量Es=2.0×105MPa，张拉控制应力σcon=0.8 fpk=628 MPa。纵向、竖向预应力钢束均为直线布置，如图5所示，这样布置不仅减少了钢束预应力的磨阻损失，同时也使结构的应力分布更为合理。

图5　预应力布置图(单位：cm)

5　基础边界条件对结构受力的影响研究

5.1基础边界条件模拟

本桥桥台采用桩基础，桩土作用参考类似工程设计经验，将桩基与土体连接边界条件用等效土弹簧进行模拟，并采用有限元软件进行结构计算(见图6)。土弹簧的刚度根据土层特性按“m”法进行计算确定，具体如下：

弹簧刚度：Ki=mizihib0

(1)

式中：mi——土弹簧处土层m值；

zi——土弹簧处离地面高度；

hi——土弹簧代表土层厚度；

b0——桩基计算宽度，b0=0.9(d+1)，d为桩基直径。

图6　桩基础土弹簧边界计算模型图

5.2基础边界条件对结构受力的影响

为考察基础边界条件对结构受力的影响，分别取桩长10 m和50 m两种情况计算不同m取值的控制截面恒载弯矩，计算结果见表3。

表3　不同基础边界条件控制截面弯矩计算结果表

根据计算结果可知，随着m值增大，主梁跨中弯矩逐渐减小，主梁根部及台柱顶部弯矩逐渐增大，但无论是桩长10 m还是50 m的情况，弯矩变化均不明显，也就是说桩基土层m值在规范取值范围内的变化对单跨门式刚架桥内力结果影响不大，采用“m”计算桩土作用等效土弹簧的刚度是可行的。

6　结语

单跨预应力混凝土门式刚架桥造型美观，是中小跨径现浇混凝土桥梁常用的桥型，本文以某园区一景观桥为例对单跨预应力混凝土门式刚架桥设计进行了研究，主要结论如下：

(1)单跨门式刚架桥采用预应力混凝土结构具有更好的经济性和耐久性；

(2)单跨门式刚架桥梁底曲线矢跨比取1/20～1/15具有较好的视觉效果和经济性，同时结构受力较为合理；

(3)台柱截面高度对结构内力影响较大，应进行优化设计；

(4)桩基与土的边界条件模拟对结构计算结果有一定影响，有限元计算分析采用“m”计算桩土作用等效土弹簧的刚度是可行的。

[1]周亮亮.某门式刚架桥设计[J].工程与建设，2015(2)：197-198.

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[3]罗国庆.桩土作用对连续钢箱梁桥结构的影响[J].广东公路交通，2008(3)：12-14.

Study on Prestressed Concrete Single-span Gantry Rigid Bridge Design

OU Yang-Ping，LIN Yun，ZHANG Xiao-yu

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Single-span prestressed concrete gantry rigid bridge has the beautiful appearance，which is a common bridge type in small and medium span cast-in-situ concrete bridges.Taking a sightseeing bridge in a park as the example，this article studied the design of single-span prestressed concrete gantry rigid bridge.

Rigid bridge；Prestressed concrete；Pile foundation；Design

U448.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.019

1673-4874(2016)05-0071-04

2016-04-20

欧阳平(1973—)，高级工程师，研究方向：桥梁与隧道工程；

林云(1985—)，工程师，硕士研究生，主要从事桥梁工程设计和研究工作；

张晓宇(1989—)，助理工程师，工程硕士，研究方向：桥梁工程。