浅谈预应力混凝土宽桥设计

王紫玉

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

浅谈预应力混凝土宽桥设计

王紫玉

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

根据国家“十一五”发展规划昆明新机场明确定为迁建工程，定位为“面向南亚、东南亚，连接欧亚的大型门户枢纽机场”，是云南省机场布局和航空网络的核心。离港层主桥是昆明新机场航站楼楼前桥梁工程的重要组成部分，其特点是桥宽较宽，梁高由横向计算控制，结合工程实例，总结设计中的相关经验与体会，简要介绍了宽桥的设计方法，阐述了结构计算的思路,为今后类似工程的设计工作提供了经验和可靠的参考。

宽桥;横向分布系数;平面杆系计算;梁格法空间计

1　工程概况

昆明新机场航站楼楼前桥梁工程分为主桥及匝道桥两部分。桥梁全长4 219.3 m，桥梁总面积754 31 m2。其中离港层主桥，全长432 m，全宽50 m，桥梁面积21 632 m2；匝道桥全长3 787.3 m，桥梁面积53 799 m2。

该桥为离港层主桥中的一联，桥宽50 m，受柱网间距的制约，跨径布置为4×36 m，下部结构为双柱支承，墩柱基础与地下停车楼共构,如图1所示。

图1　昆明新机场

2　设计标准

该桥采用的设计标准如下:

（1）设计基准期：100 a；

（2）环境类别：I类；

（3）安全等级：二级；

（4）设计荷载：城-A级，人群荷载2.4 kPa；

（5）抗震标准：地震动峰值加速度0.26 g（根据地震安全性评估报告）；

（6）地震烈度：8度。

3　设计条件

3.1受控的边界条件

以“七彩云南”为理念，航站楼总体建筑由不同的曲线及“彩带”组合而成，柱网间距为9 m；为了配合楼前的“彩带”造型，离港层主桥跨径布置为4×36 m一联（9的整数倍）。根据道路专业到港层的车道布置情况及净空的要求，桥梁下部结构采用双柱支承且与地下停车楼形成共构，墩柱的位置较受控，远离航站楼侧形成了“大悬臂”结构，详见图2。

图2　桥墩布置断面(单位:cm)

3.2梁型的选取

工程所处地区为高地震烈度区，离港层主桥桥宽较宽，且墩柱布置受控，根据以往的设计经验，综合考虑结构受力、经济因素等多方面因素，最终确定主梁采用预应力混凝土连续箱梁结构。

4　结构设计[1-3]

4.1截面尺寸及梁高的拟定

参考北京首都国际机场T3航站楼楼前桥的设计资料，该桥采用8跨一联的预应力混凝土连续箱梁结构，最大跨径为36 m，桥宽为50.5 m，下部结构采用三柱支承，梁高1.8 m，端中横梁均设置横向预应力；该桥设计时截面采用横向单箱多室的曲线型断面，桥宽50 m，初步拟定尺寸如表1所示。

表1　尺寸拟定

经过纵、横向初步试算，若采用2 m的梁高，纵向计算满足设计要求，但横向计算，由于受到“大悬臂”效应的制约，梁高需加大；经过反复试算，最终确定采用2.7 m的梁高，至此，最终的断面形式如图3所示。

4.2横向分布系数的确定

横向分布系数是结构由空间计算简化为平面杆系计算的重要参数，可采用以下两种方法计算：

方法一：按照《通用规范》的规定，按照桥宽确定车道数，并得到相应的横向折减系数，采用此方法计算得到的活载横向分布系数：（0.5×8）×1.15=4。

方法二：按照T3楼前桥的设计经验，根据隔离带的设置分别计算横向分配系数再求和，采用此方法计算得到的活载横向分布系数：（0.78× 3+0.78×3+1×2）×1.15=7.682。

方法一的计算结果显然与实际情况不符，根据以往的设计经验，选用方法二进行计算，根据空间分析结果来对取值进行论证。

4.3结构纵向计算

4.3.1杆系模型的建立

预应力混凝土连续箱梁采用北京市政院桥梁综合程序（平面杆系计算程序）进行计算，如图4所示。

图4　单元离散图（对称结构）

（1）温度：体系升温取30℃，体系降温取-25℃。

（2）沉降：沉降按0.005 m控制。

（3）均布荷载：桥面铺装重=0.06×26×50+0.1× 25×50+（3+4+4+8）×0.15×22=266 kN/m，栏杆+地袱重=7.5×2=15 kN/m，∑q=281 kN/m。

（4）非线性温度：根据通用规范取用。

4.3.2结构体系分析

按平面杆系结构计算平面内弯矩、轴力及剪力，然后根据各截面惯性矩计算截面应力，根据截面应力配置预应力钢束。采用的荷载组合为:（1）全恒;（2）全恒+活载+人群;（3）全恒+活载+人群+升温+梯度正温差+沉降1;（4）全恒+活载+人群+升温+梯度正温差+沉降2;（5）全恒+活载+人群+降温+梯度反温差+沉降1;（6）全恒+活载+人群+降温+梯度反温差+沉降2;

划分的施工阶段为:（1）浇注主梁混凝土;（2）张拉预应力钢束;（3）桥面系安装;（4）使用阶段。

4.3.3计算结果分析

4.3.3.1抗裂验算

按A类预应力构件验算正截面抗裂（长期效应），结果见表2。在各类荷载组合下，结构在长期效应荷载下均未出现拉应力，说明应力验算符合规范对A类构件长期抗裂要求。

按A类预应力构件验算正截面抗裂（短期效应），结果见表3。在各类荷载组合下，结构在短期效应荷载拉应力均小于0.7 Ftk＝1.855 MPa，说明应力验算符合规范对A类构件短期效应抗裂要求。

图3　桥梁断面图（单位：cm）

对验算斜截面主拉应力抗裂，在支点截面最大主拉应力为1.12 MPa，小于0.7 Ftk=1.855 MPa说明结构满足规范对预应力A类构件最大主拉应力抗裂的要求。

表2　长期荷载效应下主梁正应力抗裂验算　MPa

表3　短期荷载效应下主梁正应力抗裂验算　MPa

4.3.3.2强度验算

结构最大压应力小于规范规定的0.5Fck=16.2MPa，说明结构压应力满足规范要求。

经过正截面抗弯计算，斜截面抗剪计算，斜截面抗弯计算后，各强度均满足要求。

4.3.3.3承载力验算

Mu为结构承载力设计值（未考虑普通钢筋的作用），Md为荷载作用效果组合值，由表4可看出，结构在荷载作用下承载力满足规范要求。

表4　承载力计算　kN·m

4.3.3.4刚度验算

根据静力计算结果，在荷载作用下的位移值如表5所示，说明结构刚度满足要求。

4.4结构横向计算

4.4.1杆系模型的建立

预应力混凝土连续箱梁采用北京院桥梁综合程序（平面杆系计算程序）进行计算。横梁结构离散图及横向预应力布置图分别如图5和6所示。

表5　变形表

模型中所用荷载组合为：

（1）全恒；（2）全恒+活载；（3）全恒+活载+人群；（4）全恒+活载+人群+升温；（5）全恒+活载+人群+降温。

4.4.2中横梁计算结果分析

4.4.2.1抗裂验算

按A类预应力构件验算正截面抗裂（长期效应）。在各类荷载组合下，计算结果表6，结构在长期效应荷载下均未出现拉应力。说明应力验算符合规范对A类构件长期抗裂要求。

按A类预应力构件验算正截面抗裂（短期效应）。在各类荷载组合下，计算结果见表7，结构在短期效应荷载拉应力均小于0.7 Ftk=1.855 MPa，符合规范要求。说明应力验算符合规范对A类构件短期效应抗裂要求。

对斜截面主拉应力验算抗裂，在支点截面最大主拉应力为0.98 MPa，小于0.7 Ftk=1.855 MPa。说明结构满足规范对预应力A类构件最大主拉应力抗裂的要求。

图5　横梁结构离散图

图6　横向预应力的布置（单位：cm）

表6　长期荷载效应下主梁正应力抗裂验算MPa

表7　短期荷载效应下主梁正应力抗裂验算　MPa

4.4.2.2强度验算

结构最大压应力为9.68 MPa，小于规范规定的0.5 Fck=16.2 MPa，说明结构压应力满足规范要求。经过正截面抗弯计算，斜截面抗剪计算，斜截面抗弯计算后，各强度均满足要求。

4.4.3端横梁计算结果分析

4.4.3.1抗裂验算

按A类预应力构件验算正截面抗裂（长期效应）。在各类荷载组合下，计算结果见表8，结构在长期效应荷载下均未出现拉应力。说明应力验算符合规范对A类构件长期抗裂要求。

按A类预应力构件验算正截面抗裂（短期效应）。在各类荷载组合下，计算结果见表9,结构在短期效应荷载拉应力均小于0.7 Ftk=1.855 MPa，符合规范要求。说明应力验算符合规范对A类构件短期效应抗裂要求。

表8　长期荷载效应下主梁正应力抗裂验算　MPa

表9　短期荷载效应下主梁正应力抗裂验算　MPa

斜截面主拉应力验算抗裂，在支点截面最大主拉应力为0.98 MPa，小于0.7 Ftk=1.855 MPa，说明结构满足规范对预应力A类构件最大主拉应力抗裂的要求。

4.4.3.2强度验算

结构最大压应力为9.38 MPa，小于规范规定0.5 Fck=16.2 MPa。说明结构压应力满足规范要求。

经过正截面抗弯计算，斜截面抗剪计算，斜截面抗弯计算后，各强度均满足要求。

4.5空间计算比较

4.5.1空间模型的建立

空间计算采用桥梁计算通用程序Midas Civil，根据汉勃利的梁格理论[4]，主梁采用梁格法建模，对各个纵梁截面的划分，按中性轴位置一致的原则，并修正截面的抗扭刚度，三个中墩与主梁固结，边支点靠近航站楼侧采用单向活动的盆式支座，远离航站楼侧采用双向活动的盆式支座，墩底与航站楼形成共构，具体模型如图7所示。

图7　空间结构模型

主要荷载的取值均与杆系模型一致，两种程序的计算结果具有一定的可比性。

4.5.2计算结果分析

反力计算结果如图8所示。

图8　反力图（单位：kN）

长期荷载下上下缘应力计算结果如图9和10所示。

图9　长期组合上缘应力（单位：kN/m2）

图10　长期组合下缘应力（单位：kN/m2）

短期荷载下上下缘应力计算结果如图11和12所示。

图11　短期组合上缘应力（单位：kN/m2）

图12　短期组合下缘应力（单位：kN/m2）

经过计算，正截面抗裂（长期、短期），斜截面主拉应力，正压应力，以及正截面抗弯计算、斜截面抗剪计算、斜截面抗弯计算，各强度基本满足规范要求，其预应力效应及活载效应的计算结果与杆系模型基本一致。

5　结语

以机场航站楼前的离港层宽桥为研究对象，通过合理的选取横向分布系数，仅运用杆系模型计算，也可较好地完成结构设计，从而在设计过程中，省去了大量的复杂的建模工作。在拟定结构的梁高时，除了参考以往的设计经验，还应进行纵、横向的初步试算，以避免结构尺寸的重大调整；受桥下交通组织的制约，结构的支承边界条件不同，计算的特点也不同，该桥具有“大悬臂”效应，梁高主要受横向计算控制。

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

[2]JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[3]CJJ 77-98城市桥梁设计荷载标准[S].

[4]E.C.汉勃利.桥梁上部构造性能[M].北京：人民交通出版社，1982.

贵州加速构建高速公路经济带

贵州省县县通高速公路暨2016年交通重点项目集中开工仪式近日在贵阳至瓮安高速公路清水河大桥举行。贵州省委书记陈敏尔宣布，贵州省县县通高速公路目标全面实现，并开启“十三五”期新一轮交通建设。

“十三五”是贵州省脱贫攻坚、同步小康的决战决胜时期，也是交通建设大有作为的重要战略机遇期。此次贵州省交通重点项目集中开工，标志着贵州“十三五”交通建设新跨越的大幕已经拉开。到2020年建成“六横七纵八联”高速公路网，成为贵州高速公路建设上的新追求。

“十三五”期，贵州力争建成和在建高速公路里程达到7 000 km以上，形成22个以上高速公路省际通道，网络结构将更加完善、高速公路密度将进一步提高。

地处西南腹地的贵州，将借力一条条出省通道，加快构建与周边省（区、市）有效衔接的发展新格局。贵州作为西南重要陆路交通枢纽的优势将日益凸显。

贵州高速公路覆盖全省规划的5个千亿元、10个两百亿元、20个百亿元重点产业园区，以及70多个国家级、省级风景名胜区。目前贵州已形成15个高速公路出省通道，与珠江三角洲、北部湾经济区、成渝经济区、长株潭城市群、滇中经济区实现互联互通。

一条高速路就是一条民生路。在贵州，每1亿元高速公路的投资可直接产生1 800个就业岗位，仅在高速公路建设三年大会战期间，就拉动GDP增长1万多亿元，创造了455万个就业岗位。

随着县县通高速公路目标的实现，山地贵州已成为“人畅其行、货畅其流”的“高速公路平原”。借助这一变化，贵州目前正在积极规划“高速公路经济带”，包括现代高效山地农业等新兴产业正在崛起，络绎不绝的电商也正将大山里的特产越来越多越来越快地送往山外。此外，富士康、微软、西门子、阿里巴巴等国内外大型企业陆续进驻，贵州在开放创新、八方助力的优良环境中，人流、物流、资金流、信息流逐步集聚，大数据、大健康等重要产业稳步前行。贵州交通将继续保持适度超前、加速发展的态势，继续完善以高速公路为骨架、国省干线为支撑、县乡公路为脉络、通村公路为基础的公路网络体系，加快促进区域经济协调发展，适应贵州与全国同步全面建成小康社会的需要。

U442.5

B

1009-7716（2016）02-0086-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.022

2015-10-23

王紫玉（1984-），男，北京人，工程师，从事桥梁设计工作。