变截面预应力连续刚构桥的设计

杨峰

（广东省建筑设计研究院，广东 广州 510220）

变截面预应力连续刚构桥的设计

杨峰

（广东省建筑设计研究院，广东 广州 510220）

以广州市南沙区某（60+100+60）m连续刚构桥为研究背景，以变截面预应力连续刚枸桥梁为研究对象，介绍了该桥在常规荷载作用下的静力计算结果。有关经验可供相关专业人士参考。

变截面；连续刚构桥；结构设计；结构计算；应力分析

0 引言

预应力连续刚构桥因具有造型简洁美观，结构刚度大，行车平顺性好，施工周期短、建设成本和管养成本低等特点[1]，本文通过广州市南沙区某桥梁工程的实践对变截面预应力连续钢构桥梁进行总结及分析，以起到抛砖引玉的作用。

1 工程概况

桥梁主桥采用60 m+100 m+60 m预应力混凝土连续刚构，边中跨比0.6，分离式断面，单幅桥宽11.5 m，全断面组成为：0.25 m栏杆+2.5 m人行道+0.25 m护栏+8 m机动车道+0.5 m防撞墙+2 m（镂空带）+0.5 m（防撞栏）+8 m机动车道+0.25 m护栏+2.5 m人行道+0.25 m栏杆（见图1）。

连续刚构主梁采用单箱单室预应力混凝土箱梁，按全预应力构件设计，主墩处梁高5.8 m，高跨比 1/17.2，跨中及边支点梁高 2.8 m，高跨比1/35.7，梁高采用2次幂的抛物线渐变，变化方程y＝2.8+0.001316x2。

箱梁顶板宽11.5 m，翼缘悬臂长度3 m，端部厚18 cm,根部厚80 m；箱室上方顶板厚28 cm，根部厚80 m。箱梁底宽5.5 m，底板厚由跨中的28 cm变化到主墩墩顶处的100 cm，亦采用2次幂的抛物线渐变。箱梁腹板采用直腹板，腹板厚度由跨中50 cm渐变至1/4跨处的65 cm。。

箱梁纵向分为悬浇段、合龙段、边跨现浇段。其中，悬浇段包括墩顶0#块和两侧各13个悬浇节段，单边最大悬臂长度47.5 m；悬浇节段长度根据梁高不同分为3.0 m、3.5 m和4m三种，以控制节段重量变化幅度。中跨和边跨合龙段梁高2.8 m，节段长2 m。边跨现浇段梁高2.8 m，长8.8 m。

箱梁采用纵、横、竖三向预应力，均采用φs15.2高强度低松驰钢绞线，随悬臂施工分批张拉锚固。其中，竖向预应力钢束采用二次张拉工艺，提高竖向有效应力。预应力管道均采用塑料波纹管及真空压浆工艺灌浆。

2 主梁计算分析

2.1 计算模拟

结构计算采用Midas Civil 2010建立全桥空间模型。模型按桥梁实际平曲线及实际桥墩高度模拟，采用m法模拟土弹簧，桩土合算，墩底与桩顶设置刚性连接。结构计算模型如图2所示。

2.2 设计荷载

2.2.1 恒载

（1）一期恒载：一期恒载包括上部结构自重；

（2）二期恒载：二期恒载为桥面防撞墙、桥面铺装、人行道结构等，作为外荷载施加在结构上，二期桥面恒载合计：60 kN/m；

（3）悬臂施工节段混凝土湿重：混凝土湿密度按26 kN/m3考虑；

（4）挂篮重：按500 kN以集中力方式考虑。

2.2.2 活载

（1）城—A级，按两车道计算；（2）汽车制动力及冲击力：按(JTG D60-2015)[2]取用；（3）人群荷载：按 (CJJ 11-2011)[3]取用；（4）风荷载：按（JTG D60-2015）[2]取用。

图1 桥型立面图

图2 结构计算模型

2.2.3 温度效应

（1）整体升温：20℃；（2）体系降温：-20℃；（3）温差：按（JTG D60-2015）[2]规定取值。

2.2.4 预应力钢筋特性

预应力刚绞线采用φs15.2钢绞线，抗拉标准强度fpk=1 860 MPa，张拉控制应力σcon=1 302～1 395 MPa，弹性模量 Ep=195 000 MPa，μ=0.2，κ=0.001 5，ΔL=0.006 m。

2.2.5 混凝土收缩、徐变

收缩徐变采用（JTG D62-2014）[4]附录F计算法，时长为3 650 d(约10 a)。

2.2.6 支座沉降

考虑桥墩沉降1 cm的影响力。

2.2.7 荷载组合

（1）作用标准值组合：

即进行构件的持久状况应力计算时作用(或荷载)取其标准值,汽车荷载应考虑冲击系数；进行短暂状况应力计算时施工荷载除有特别规定外均采用标准值，不考虑组合系数。

（2）作用短期效应组合：

即永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，见《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)4.1.5。

（3）作用基本组合(承载能力组合)：

即永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，考虑结构重要性系数及各作用效应的分项系数。结构重要性系数取1.1。

2.3 主要计算成果摘要

2.3.1 持久状况承载能力极限状态计算

正截面抗弯/斜截面抗剪承载能力极限状况计算(作用基本组合)：

主梁的承载力和内力包络图（见图3、图4）。

图3 正截面抗弯包络图（单位:MPa）

图4 斜截面抗剪包络图（单位:MPa）

图3、图4显示，主梁主要控制截面斜截面抗剪验算满足(JTG D62 2004)要求。

2.3.2 持久状况正常使用极限状态计算

（1）成桥状态下结构应力情况（见图5、图6）。

图5 成桥阶段上缘应力图（单位:MPa）

图6 成桥阶段下缘应力图（单位:MPa）

（2）正常使用极限状态下结构抗裂验算(作用短期效应组合)：

a.正截面抗裂（计算结果见图7、图8）。

图7 截面上缘正应力包络图（单位:MPa）

图8 截面下缘正应力包络图（单位:MPa）

由图7、图8可以看出在短期效应荷载最不利荷载组合作用下，主梁截面上下缘均未出现拉应力，满足《公路钢筋混凝土预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)第6.3.1条关于全预应力混凝土构件的要求。即正截面混凝土在短期效应组合下的拉应力均满足:σst-0.8σpc≤0。

b.斜截面抗裂（计算结果见图9）。

图9 短期效应组合下主拉应力包络图（单位:MPa）

由图9可知，计入竖向预应力，效应按0.6倍折减后，主拉应力为0.5 MPa，小于0.4xftk=1.096 MPa。

注：在该项计算中，汽车荷载不计冲击系数；预应力作为荷载考虑，荷载分项系数取为1.0；并计入由预应力、温度作用等引起的次效应。

2.3.3 持久状况和短暂状况构件的应力计算

（1）持久状况（使用阶段作用标准值组合）：a.混凝土正截面法向压应力（见图10、图11）。

图10 截面上缘压应力包络图（单位:MPa）

图11 截面下缘压应力包络图（单位:MPa）

正截面受压区混凝土的最大压应力为12.2 MPa＜0.5 fck=17.75 MPa，主梁最大正应力满足《公路钢筋混凝土预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)公式7.1.5-1的规定。

b.混凝土斜截面主应力（见图12）。

图12 标准组合下混凝土主压应力包络图（单位:MPa）

根据图12所示，斜截面混凝土的主压应力= 12.2 MPa，规范限值为0.6 fck=21.3 MPa，满足规范要求。

（2）短暂状况(施工阶段自重、施工荷载等标准值组合)：

a.最大双悬臂状态应力（见图13、图14）。

图13 截面上缘正应力图（单位:MPa）

图14 截面下缘正应力图（单位:MPa）

最大压应力=10.6 MPa，规范限值为0.7 f'ck= 19.88 MPa，满足规范要求。

b.边跨合拢后的应力（见图15、图16）。

图15 截面上缘正应力图（单位:MPa）

图16 截面下缘正应力图（单位:MPa）

最大压应力=11.2 MPa，规范限值为0.7 f'ck= 19.88 MPa，满足规范要求。

主梁出现拉应力 0.19 MPa＜0.7×0.8×ftk= 1.484（MPa），按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ D62-2004）第7.2.8条关于施工阶段预应力混凝土受弯构件最大法向拉应力的要求,预拉区应配置其配筋率不小于0.2%的纵向钢筋。

2.3.4 位移挠度计算结果（见表1）

表1 跨中挠度对比表

从表1可以看出，主梁长期挠度值满足《桥规》（JTG D62-2004）规范要求。

3 结 论

本文介绍了一座60 m+100 m+60 m预应力混凝土连续刚构桥的结构设计。通过合理的选择结构体系和断面形式，结构受力明确，构造简洁合理。经过对全桥的静力分析，表明桥梁在各施工及运营阶段受力均能满足相应规范要求。为国内外类似工程的设计与施工提供了有益的经验。

[1]张丽仪.大跨度预应力混凝土连续梁桥结构设计[J].广州建筑, 2010，(2).

[2]JTG D60－2015，公路桥涵设计通用规范[S].

[3]CJJ 11－2011，城市桥梁设计规范[S].

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

U448.23

B

1009-7716（2017）03-0108-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.030

2017-01-04

杨峰（1984-），男，湖南吉首人，工程师，从事道路桥梁工程设计工作。