悬臂下置的悬浇连续箱梁桥设计实践

2016-11-15郭红敏梁送春

城市道桥与防洪 2016年9期

关键词：钢束挂篮悬臂

郭红敏，李雷，梁送春

（悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司，江苏苏州 215123）

悬臂下置的悬浇连续箱梁桥设计实践

郭红敏，李雷，梁送春

（悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司，江苏苏州 215123）

为解决行人与非机动车道纵坡无法满足设计规范要求的问题，提出了一种将悬臂设置在腹板中下部的悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁结构，该悬臂专门用作行人与非机动车通行。对该结构进行详细的整体与细部计算分析，结果表明其受力与常规断面箱梁差别较大。最后对挂篮进行空间受力计算分析。有关成果供设计同行参考。

悬臂下置；悬臂浇筑；箱梁；结构分析；挂篮

1　工程背景

苏州工业园区苏虹路东延工程跨越青秋浦，拟新建桥梁一座。青秋浦为五级航道，通航净宽B=45 m，净高H=5 m。桥梁中心线与河道中心线斜交111°。

桥位所在区域工厂较多，桥梁建成后重车通行的需求较大，经多方案比选，主引桥桥型均选择结构刚度好、行车舒适、养护简单的预应力混凝土连续箱梁桥［1］。全桥跨径布置为2×30 m+（37 m+68 m+ 42.5 m）+2×30 m，桥梁全长267.5 m。标准断面宽33.6 m，横向分两幅桥，单幅桥宽16.3 m，外侧悬臂宽4.5 m，内侧悬臂宽2.5 m。斜桥正做，主桥主墩错墩布置，主桥边墩、引桥桥墩、桥台均对齐布置。主桥采用挂蓝悬臂浇筑，引桥采用满堂支架现浇，见图1。

图1　桥梁剖断面效果图

纵断面拉坡结果显示，在满足青秋浦通航要求及河道两岸交叉口顺利接坡的前提下，桥面设计纵坡达4.5%。根据《城市道路工程设计规范》，非机动车道纵坡不宜大于3.5%，为解决该问题，箱梁外侧悬臂向下放，非机动车道与机动车道设计为不同的纵断面。

2　悬臂方案比选

为满足行人与非机动车通行的需求，人非悬臂宽度设计为4.5 m。设计考虑了两个悬臂方案：混凝土悬臂、钢结构悬臂。经多方面比选，最终确定采用混凝土悬臂方案，见表1。

表1　悬臂方案比选表

3　截面受力特性分析

3.1定性分析

对截面特性进行正确、深入的分析是合理、安全设计的必要前提条件。与常规断面的悬浇预应力混凝土箱梁桥相比，本桥最大的特点是外侧悬臂下置且内外悬臂大小、腹板厚度均不相同。

箱梁纵向受力主要有以下特点：由于外侧悬臂位于腹板中下部，箱梁截面的中性轴、惯性矩、刚度等沿纵向分布与常规断面均不相同，从而使得全桥纵向弯矩分布、截面上下缘应力与常规断面箱梁也不相同。

截面横向受力特点：外侧悬臂设置在边腹板中下部，使得边腹板承受较大的横桥向弯矩；两侧悬臂大小及腹板厚度不同，截面在恒活载作用下承受较大的扭矩；常规断面在计算有效宽度时需计入部分或全部悬臂宽度，悬臂下置的断面则完全不能考虑［2］，两者的有效宽度差别较大。

根据以上分析，悬臂下置的断面的边腹板为抵抗横向弯矩及满足布置纵向预应力钢束的需要，其厚度沿纵向全长均为1 m，其余腹板厚按常规断面拟定。边腹板与顶底板之间的倒角均加大，其中腹板与底板倒角的水平长度为1 m。

3.2定量分析

以跨中2 m梁高的断面（见图2）为例，对悬臂下置的断面与常规断面（悬臂不下置，其余均同图2）的特点进行定量分析比较。

图2　箱梁跨中断面（单位：cm）

表2　悬臂下置的箱梁断面与常规断面比较

4　结构计算分析

4.1横向框架分析

断面横向计算满足规范要求后方可进行纵向建模计算。取纵向1 m长的横向框架进行计算，自重作用下其弯矩见图3。

图3　断面弯矩图（单位：kN·m）

由图3可以看出，边腹板的横向弯矩较大，该腹板的竖向箍筋同时也承受较大的横向弯矩，因此应适当加强。

4.2悬臂有限元分析

为确保4.5 m宽的大悬臂结构安全，设计中采取以下构造措施：（1）大悬臂局部进行加厚，根部厚度加厚至0.8 m，计算时不考虑加厚部分；（2）外侧边腹板与顶板的倒角尺寸为100 cm×35 cm，与底板的倒角尺寸为100 cm×20 cm；（3）顶板厚度最小为25 cm，底板厚度最小为28cm；（4）悬臂内横桥向设置直径为32 m m的预应力精轧螺纹钢筋，沿桥梁纵向间距50 cm；（5）横梁与横隔板范围内的悬臂内采用预应力钢绞线；（6）精轧螺纹钢筋施工时张拉控制应力为0.9 fpk，计算时按0.45 fpk取值；（7）悬臂上缘横向普通钢筋直径为25 m m，纵向间距为10 cm。

由于外侧悬臂长度为4.5 m，悬臂根部受力较大，边腹板在该悬臂上的荷载作用下受力较复杂。采用M IDAS FEA建立实体单元模型对悬臂和边腹板进行应力分析，计算结果见图4。结果表明，最不利荷载组合作用下，悬臂根部最大拉应力为1.21 M Pa，满足A类构件要求。

图4　下置悬臂及边腹板应力云图（单位：MPa）

4.3纵向计算分析

4.3.1腹板钢束的横断面布置

对于箱形截面，腹板主要承受剪力，顶底板主要承受弯矩。由于本工程箱梁截面特殊，每块腹板承受的荷载有一定区别，每块腹板内的钢束布置也应有所区别。取L/4处断面，参照梁格法理论［4］将该断面以三个腹板为中心划分为三个梁格，按梁格截面面积配置预应力钢束，外侧边腹板内的纵向钢束面积约为其余腹板的1.4倍，见图5。

图5　L/4断面纵向钢束布置

4.3.2纵向计算结果

纵向计算建模时有两个思路，一是考虑下置悬臂，按真实断面建模，二是不考虑下置悬臂，仅将悬臂作为恒载考虑（见图6）。由于下置悬臂对箱梁断面的特性有较大影响，不考虑对全桥的内力分布以及截面应力等均有较大影响，因此采用第一种思路建模。

图6　纵向计算模型

由图7可知，截面最大正应力14.9 M Pa，中支点最小正应力0.5 M Pa，满足规范要求。

图7　短期组合正应力图（单位：MPa）

由图8可知，截面最大主拉应力为0.8 M Pa，满足规范要求。

图8　主拉应力图（单位：MPa）

4.4施工阶段最大悬臂状态抗扭验算

箱梁截面各个腹板厚度以及两侧悬臂大小均不相同，恒载作用下截面也存在较大的扭矩，因此对悬浇过程中最大悬臂状态进行抗扭验算是非常有必要的。采用M i das Ci vi l建立空间梁单元模型进行验算，结构模型见图9。验算结果表明，截面最大扭矩为13 500 kN·m，抗力为57 600 kN·m，结构抗扭有较大安全储备，见图10。