大跨预应力混凝土连续梁桥设计研究
2017-06-26刘文明谢春玲
刘文明，谢春玲
（湖南中大设计院有限公司，湖南长沙410075）
大跨预应力混凝土连续梁桥设计研究
刘文明，谢春玲
（湖南中大设计院有限公司，湖南长沙410075）
结合某（60+105+60）m预应力混凝土变截面连续箱梁桥设计，对大跨径预应力混凝土变高度连续箱梁桥截面形式的选取、结构尺寸的拟定、预应力钢束布置方式等设计要点进行了研究分析，可供同类桥梁结构设计进行参考。
预应力混凝土；箱梁；桥梁设计；截面尺寸；裂缝；下挠
1 工程概况
某桥梁工程位于湖南省某地级市，为某城市主干道上跨河流而设。其主桥孔跨布置为（60+105+60）m，中跨105 m跨越河沟及一侧人工岸堤，主桥全长225 m。桥梁上部结构采用预应力混凝土变高度连续箱梁，下部结构主桥墩采用矩形实心墩，冲孔灌注群桩基础。主桥箱梁与桥墩间通过设置盆式橡胶支座进行连接，主桥孔跨布置见图1所示。
图1 主桥立面图（单位：m）
2 结构设计
2.1 箱梁截面形式的选取
箱梁截面形式主要取决于桥面宽度；也与施工方法、上下部结构连接方式等因素相关[1]。从该桥型已建桥梁情况来看，在早期桥梁设计中，桥面宽度不大于12m时，常采用单箱单室截面。近些年来，该截面形式所适用的桥面宽度范围已扩大至16 m。
该桥单幅桥宽15 m，宽度相对适中，箱梁选择使用单箱单室截面。该截面形式箱梁全截面受力相对合理；梁体材料用量较经济；利于悬臂挂篮浇筑施工；横向设置的两个支座均位于箱梁腹板下方，传力路径明确，设计合理。
2.2 箱梁梁高的确定
对于变高度连续箱梁，跨中截面梁高与主跨径的比值一般取1/30～1/50，支点截面梁高与主跨径的比值一般取1/16～1/20。考虑已建成的大跨径箱梁桥常出现的跨中梁体下挠、开裂等病害情况，该桥梁设计截面梁高与主跨径间的比值取偏大值，即适当增加梁高，通过增大截面抗弯刚度来减小梁体的后期下挠，抑制梁体裂缝的开展。
该桥跨中梁高取3 m（与主跨径比值为1/35），支点梁高取6 m（与主跨径比值为1/17.5），梁底按二次抛物线变化。
2.3 箱梁截面尺寸的确定
直接决定结构的抗弯、抗剪承载能力及刚度的主要因素为箱梁的截面尺寸。箱梁壁厚尺寸设置偏小，会削弱结构的抗裂和抗剪能力，使混凝土箱梁更容易产生裂缝；同时也减小了结构刚度，导致长期变形的加剧。开裂与变形通常是伴随出现，相互促进恶化。混凝土开裂和变形之间的关系可通过图2来表示[2]。
图2 混凝土开裂与变形关系图
从设计角度来讲，首先应确保结构具有足够的正截面强度及斜截面强度；其次考虑适当增加腹板厚度，其对梁体挠度影响并不大，却可以较好地改善箱梁的抗裂及抗剪能力。
综上分析，并结合主桥箱梁结构预应力钢束布置情况，其断面尺寸确定如下：
箱梁悬臂板长3.75 m。箱梁顶板厚0.3 m；跨中底板厚0.32 m，中支点附近底板厚0.9 m，底板厚度从跨中至中支点方向按二次抛物线渐变；跨中腹板厚0.5m，中支点附近腹板厚0.9m，腹板厚度从跨中至支点方向通过直线段两次过渡，即0.5m～0.7 m～0.9 m。
详细尺寸如图3所示。
图3 箱梁横断面图（单位：m）
2.4 预应力束布置
结合箱梁结构的受力特点，箱梁的纵向预应力应优先布置在腹板内，以及布置在靠近腹板的顶底板内。同时设置腹板下弯束，以有效抵抗主拉应力及斜裂缝出现，而且能减小纵向预应力作用的盲区。
该桥箱梁预应力布置体系分纵向、横向及竖向分别进行设计。
纵向预应力束分为悬臂束和合龙束。悬臂束包括顶板束、腹板下弯束。合龙束包括边、中跨顶板束、腹板上弯束、底板束。其中悬臂束中的顶板束采用19-φs15.2钢绞线，腹板下弯束采用17-φs15.2钢绞线，两端下弯至腹板中部进行锚固；边跨合龙束中的腹板束采用15-φs15.2钢绞线，一端上弯至腹板中部进行锚固，一端上弯至腹板顶部进行锚固，底板束采用15-φs15.2钢绞线，顶板束采用19-φs15.2钢绞线；中跨合龙束中的腹板束采用17-φs15.2钢绞线，两端上弯至腹板顶部进行锚固，底板束采用17-φs15.2钢绞线，顶板束采用19-φs15.2钢绞线。纵向钢束均采用群锚体系，其立面布置如图4所示。
图4 钢束布置示意图
顶板横向预应力钢束平行于箱梁顶面设置，采用3-φs15.2钢绞线，单端交错进行张拉，采用扁锚体系。
竖向预应力束布置在箱梁腹板内。在早期桥梁设计中，常采用精轧螺纹钢作为腹板竖向预应力钢筋，较普遍地存在施工精度较难控制，预应力容易失效等问题。因此，该桥竖向预应力束选用3-φs15.2钢绞线，同时采用新型的二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力短索锚固体系[3]，以提高竖向预应力的有效性。
3 结构分析
该桥采用有限元分析软件M ID AS/C I V I L 2015建立平面杆系模型对上部主梁结构进行纵向静力计算。主梁采用梁单元模拟。根据支座布置约束对应方向位移。全桥共85个节点，76个单元。主要施工步骤：挂篮悬臂施工→边跨合龙→附属设施施工→10年收缩及徐变。纵向计算模型如图5所示。
图5 纵向计算模型
3.1 作用及设计参数
作用的计算按设计规范[4][5]规定执行。
永久作用。主梁自重（一期恒载）；人行道板及栏杆、桥面现浇层及沥青铺装层、过桥管线（二期恒载）；基础变位沉降；混凝土收缩及徐变；预加力。
可变作用。汽车荷载：城-A级，按单向三车道计算；人群荷载：3.5 k P a；还包括温度作用、风荷载。
主要设计参数。塑料波纹管孔道摩阻系数μ=0.15，孔道偏差系数k=0.0015；单端锚具变形及钢束回缩值取6 mm。
3.2 分析结果
3.2.1 正截面抗弯强度验算
根据混凝土桥规[6]第5.1.5条规定，对构件的承载能力极限状态进行验算，要求满足下式要求：
即要求考虑结构重要性系数后的抗弯强度效应值不大于抗力计算值。承载能力极限状态下，结构正截面抗弯承载力包络图见图6所示。
图6 正截面抗弯承载力包络图
计算结果见表1所列。
表1 正截面抗弯验算结果一览表
从以上结果可知，作用效应小于抗力值，且有一定的富余量，满足规范要求。
3.2.2 正截面抗裂性验算
该桥按全预应力混凝土构件进行设计，根据混凝土桥规[6]第6.3.1条规定进行正截面抗裂验算。要求满足在作用（或荷载）短期效应组合下：
计算结果如表2所列。
表2 正截面抗裂分析结果一览表
最小压应力在中支点附近上缘为0.4M P a；跨中下缘为1.1 MPa；边跨现浇段附近上缘为0.5 MPa；满足规范要求。
3.2.3 斜截面抗裂性验算
根据混凝土桥规[6]第6.3.1条规定对全预应力混凝土构件斜截面主拉应力进行验算。要求满足在作用（或荷载）短期效应组合下：
计算结果显示最大主拉应力出现在中支点附近，为0.8 MPa＜1.096 MPa。满足规范要求。
3.3 成桥状态分析
桥梁竣工时，梁体上、下缘应力状态见图7所示。
图7 成桥状态主梁上、下缘应力曲线图
从图7可知，竣工时，主梁梁体全截面均处于受压状态，梁体支点截面下缘压应力小于上缘压应力，跨中截面上缘压应力小于下缘压应力，梁体应力状态有利于抑制长期下挠，该桥的成桥状态为合理成桥状态[1]。
4 结语
大跨预应力混凝土变截面连续梁桥具有清晰的传力途径及可靠的平衡机制，造价相对低廉，施工快捷，运营维护费用低，适应性好，是50～200 m跨径内最适宜的桥型。
本文从截面形式选取及主要尺寸的拟定、预应力布置、结构计算及成桥状态分析等要点对湖南某桥实例设计进行了研究总结，可为以后该类桥型结构设计提供借鉴。对于该类桥梁梁体开裂和变形的耦合效应及如何从设计角度采取相应的措施进行抑制还需作进一步的深入研究。
[1]刘钊.桥梁概念设计与分析理论（上册）[M].北京:人民交通出版社，2010.
[2]吕志涛，潘钻峰.大跨径预应力混凝土箱梁桥设计中的几个问题[J].土木工程学报.2010，43（1）：70-76.
[3]DB 43/T801-2013，次张拉低回缩钢绞线竖向预应力短索锚固体系设计施工和验收规范[S].
[4]CJJ 11-2011，城市桥梁设计规范[S].
[5]JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].
[6]JTG D62－2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
U442.5
B
1009-7716（2017）06-0102-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.029
2017-03-06
刘文明（1983-），男，贵州毕节人，工程师，从事桥梁工程设计工作。
