2×36 m连续箱梁桥主梁设计及纵向计算

谢居才

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市200092）

2×36 m连续箱梁桥主梁设计及纵向计算

谢居才

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市200092）

两跨连续梁桥在实际桥梁工程项目中，采用的概率相对较小，其经济指标相对于多跨连续梁桥要低一些。以舟山市小干二桥工程引桥中间某联2×36 m预应力混凝土连续箱梁桥为背景，从主梁设计准则、主梁构造尺寸拟定、主梁钢束配置及纵向计算等方面，对其主梁设计及纵向计算进行深入介绍，可为类似工程项目提供有益的参考。

连续箱梁；主梁；构造尺寸；钢束；荷载；纵向计算

1 概述

舟山市小干二桥工程，引桥中间某联采用2× 36 m预应力混凝土连续梁桥，桥梁横断面布置如图1所示，横断面总宽23.9 m。

图1 桥梁横断面布置（单位：m）

上部主梁采用单幅整体式箱梁，梁高2.2 m，顶底同坡，桥面横坡2%。

下部结构采用双柱墩，墩柱中心距11 m，基础采用钻孔灌注桩。

2 主要技术标准

设计中主要采用的技术标准如下：

（1）道路等级：城市主干路；

（2）设计车速：50 km/h；

（3）设计基准期：100 a；

（4）设计使用年限：100 a；

（5）环境类别：Ⅲ类环境，相对湿度80%；

（6）荷载标准：汽车荷载为城-A级，人群荷载按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）取用；

（7）设计安全等级：一级。

3 主要材料选用

3.1 混凝土

主梁采用C50高性能混凝土，表面外露部分采用涂层防腐措施。

3.2 钢筋

普通钢筋采用H P B300、H R B400级，其力学性能应符合国家标准《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》（G B/T 1499.2—2007）及《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》（G B/T 1499.1—2008）的规定。钢筋应具有出厂质量证明书，并在使用前抽验。

3.3 预应力钢绞线、锚具及波纹管

预应力钢绞线应符合《预应力混凝土用钢绞线》（G B/T 5224—2014）的规定，采用s15.2低松弛钢绞线（松弛率2.5%），fpk=1 860 MPa，Ep=1.95× 105MPa，张拉控制应力σcon=1 395 MPa。

锚具应符合《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（G B/T 14370—2015）Ⅰ类锚具的各项要求。锚具变形和钢筋回缩值按张拉端单端6 mm考虑。

预应力管道采用可真空压浆的塑料波纹管成型，塑料波纹管应符合《预应力混凝土桥梁用塑料波纹管》（J T/T 529—2016）的规定。管道偏差系数к=0.001 5，管道摩擦系数μ=0.16。

4 主梁设计要点

4.1 主梁设计准则

主梁纵向及横梁考虑配置预应力钢绞线，均按A类预应力混凝土构件控制其设计。

主梁两侧悬臂控制在2.5 m左右，桥面板按普通钢筋混凝土构件设计。

根据桥位处的环境类别，参照相关规范在耐久性设计方面的要求，确定箱梁混凝土净保护层厚度不小于4 c m。

主梁采用支架现浇、一次落架施工工艺。

4.2 主梁构造尺寸的拟定

参照类似工程实践，梁高拟定为2.2 m，顶底同坡，横坡2%。主梁顶板宽23.7 m，底板宽17.4 m，单侧挑臂2.4 m。主梁断面为单箱四室大箱梁，中腹板横向中心距4.6 m，边腹板采用斜腹板，与底板底缘线夹角约67.2°。

顶板厚度25 c m，等厚设置。

底板变厚规律：自端横梁实腹根部向跨中方向设置5 m渐变段，底板厚度由端横梁实腹根部40 c m渐变到跨中22 c m；中横梁附近底板等厚度22 c m，不设变厚段。

腹板变厚规律：自端横梁实腹根部向跨中方向设置5 m渐变段，腹板厚度由端横梁实腹根部55 c m渐变到跨中35 c m；中横梁边跨侧自横梁实腹根部向边跨跨中方向依次设置5 m等厚段、3 m渐变段，等厚段腹板厚度55 c m，渐变段由55 c m渐变到边跨跨中35 c m。

顶板、底板和腹板的尺寸是通过计算来确定的，尤其是腹板在中横梁附近的变厚段设置，也是两跨连续梁的特点之一，这里结构尺寸的拟定对抗剪承载力有比较大的影响。

箱梁标准断面上顶板、腹板倒角尺寸为0.7m× 0.3 m，底板、腹板倒角尺寸为0.4 m×0.2 m。横梁下设双支座，支座顺桥向距梁端0.6 m，横向距离箱梁中心线5.5 m。

横梁实腹宽度：一侧端横梁1.2 m，另一侧端横梁2 m，中横梁2.0 m。

箱梁跨中标准断面、端支点及中支点处的横断面构造尺寸如图2～图4所示。

图2 箱梁跨中标准断面

图3 箱梁端支点断面

图4 箱梁中支点断面

5 主梁纵向计算

5.1 计算概况

5.1.1 计算内容

采用桥梁博士对主梁进行纵向计算，按A类预应力混凝土构件控制设计；根据《公路桥涵设计通用规范》（J T G D60—2015）（以下简称D60）荷载效应组合的要求进行内力和应力计算，验算主梁的极限承载能力、在施工阶段和使用阶段的应力水平及整体刚度是否满足规范要求。

5.1.2 计算荷载

5.1.2.1 恒载

一期恒载：按构件实际断面并考虑构造因素计入，自重系数1.08。

二期恒载：根据桥梁横断面布置，考虑铺装层、防撞护栏等桥面二期恒载，桥面二期恒载总重按150 k N/m计。

5.1.2.2 活载

机动车道荷载：城A级，横向偏载系数1.15。

人群荷载：根据《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）第10.0.5条要求确定人群荷载集度，取为3.5 k P a。

5.1.2.3 温度荷载

整体升降温：升温+23℃，降温-23℃。

梯度温度效应：按D60第10.0.5条计算，沥青铺装层10 c m，正温差T1=14℃，T2=5.5℃。

5.1.2.4 支座沉降

边支点0.5 c m，中支点1.0 c m。

5.1.3 施工阶段划分

全桥主梁采用支架现浇，一次落架施工方法，分为3个施工阶段。

第一阶段：浇筑整体混凝土，张拉钢束。

第二阶段：施加二期恒载。

第三阶段：收缩徐变10 a。

5.2 主梁纵向配束

纵向配束的确定是主梁纵向计算的核心。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（J T G D62—2004）（以下简称D62）第9.4.9条第一款规定，直线管道的净距不应小于40 mm，且不宜小于管道直径的0.6倍，对于预埋的塑料波纹管，在竖直方向上可将两管道叠置。本联桥主梁设计时，不考虑钢束竖向叠置。

主梁纵向钢束设计，应协调考虑横梁内设置的横向钢束，两者位置在空间上不能相互冲突，并结合混凝土保护层、桥面板横向钢筋等信息，结合钢束竖向间距的规定（即前述规范9.4.9条），确定主梁纵向钢束的位置。

根据计算，本联主梁纵向钢束共设腹板束、顶板束和底板束3类，其中腹板束采用M15-15型锚具及配套波纹管，顶板束采用M15-12型锚具及配套波纹管，底板束采用M15-9型锚具及配套波纹管。

根据计算，单个腹板内共设3根腹板束，腹板束在端横梁处水平向间距为2 m，在中横梁处钢束控制点水平向间距1 m。

以中腹板为例，3根腹板束在梁端处均位于箱梁顶板顶缘下方180 mm，钢束倾角25°；在中横梁处依次位于顶缘下方150 mm、390 mm、570 mm处，钢束倾角15°。边腹板上腹板束按同一原则进行竖向定位。

顶板束直线段位于顶板顶缘下方130 mm处。

底板束直线段位于底板底缘上方110 mm处，即处于底板正中。

5.3 主梁纵向计算分析

采用桥梁博士进行主梁纵向计算，根据主梁构造特点对其进行离散并建立梁单元模型，输入钢束、施工阶段信息和汽车及人群荷载、温度及不均匀沉降等信息，完成主梁纵向计算模型的创建。根据D60进行荷载效应组合，并根据D62对主梁纵向计算结果进行分析。

5.3.1 持久状况承载能力极限状态验算

主梁承载能力极限状态验算取用D60第4.1.6条规定的基本组合，结构重要性系数1.1，对主梁抗弯、抗剪承载能力极限状态进行验算。

5.3.1.1 主梁抗弯承载能力极限状态验算

顶底板纵向钢筋直径16 mm，间距150 mm。

通过计算，主梁跨中断面最大外荷载弯矩为119 324 k N·m，跨中断面最大抗弯承载力为139 838 k N·m；墩顶断面最大外荷载弯矩为108 558 k N·m，墩顶断面最大抗弯承载力为152 493 k N·m；主梁抗弯承载能力满足规范要求。5.3.1.2主梁抗弯承载能力极限状态验算

结构尺寸、钢束布置按实际结构计取，箍筋直径16 mm，间距150 mm，横梁附近2m范围内间距加密至100 mm。根据D62第5.2.6～5.2.11条的相关规定进行主梁抗剪承载能力极限状态的验算，通过计算可知主梁构造尺寸和抗剪承载能力均满足规范要求。

5.3.2 持久状况正常使用极限状态验算

按规范要求考虑主梁顶底板有效宽度并经调束计算，主梁在正常使用极限状态下的应力均能满足A类预应力混凝土构件抗裂验算要求，主梁刚度亦满足规范要求，主要计算结果如下（其中应力以压为“+”，以拉为“-”）。

5.3.2.1 正常使用极限状态抗裂验算

在作用短期、长期效应组合下正截面和斜截面抗裂验算结果如下。

短期效应组合最小正应力1.17 MPa，小于规范要求的0.7ftk=0.7×2.65 MPa=1.855 MPa；长期效应组合下基本未出现拉应力；短期效应组合最小主拉应力1.14 MPa，小于规范要求的0.5ftk=0.5× 2.65 MPa＝1.325 MPa，满足规范对A类构件的抗裂要求。

5.3.2.2 持久状况混凝土应力验算

主梁持久状况下的应力验算结果如下。

最大正截面压应力10.67 MPa，小于规范要求的0.5fck=0.5×32.4M P a＝16.2 MPa；最大主压应力10.67 MPa，小于规范要求的0.6fck=0.6×32.4 MPa= 19.44 MPa；满足规范要求。

5.3.2.3 持久状况钢束应力验算

钢束容许拉应力为0.65fpk=0.65×1 860 MPa= 1 209M P a，持久状况下部分钢束最大应力1 246M P a，仅超出3.1%，基本满足规范要求。

5.3.2.4 挠度验算与预拱度计算

D62第6.5.3条规定，受弯构件在使用阶段的挠度应考虑荷载长期效应的影响。本桥主梁采用C50高性能混凝土，由规范插值求得挠度长期影响系数ηθ=1.425，消除结构自重产生的长期挠度后，主梁的最大挠度不应超过计算跨径的1/600。

通过计算，主梁最大挠度在跨中位置，消除结构自重后的长期挠度最大值4.4 mm，小于挠度验算容许值[L/600]=60 mm，满足规范要求。

根据D62第6.5.4条规定算得预加应力长期反拱24 mm，荷载短期效应组合计算的长期挠度-22.65 mm（负值代表下挠），根据D62第6.5.5条的规定，预加应力产生的长期反拱值大于按荷载短期效应组合计算的长期挠度值时，主梁不设预拱度。

5.3.3 短暂状况应力验算

根据D62第7.2.8条的规定，对主梁进行施工阶段的应力验算：施工阶段最大正截面压应力7.1M P a，小于规范要求的0.7fck’=0.7×32.4 MPa=22.68 MPa；施工阶段正截面未出现拉应力，小于规范要求的0.7ftk’=0.7×2.65 MPa=1.855 MPa，满足规范要求。

5.3.4 主梁计算结论

根据以上验算结果可知：主梁承载能力满足规范要求；主梁各截面应力状况满足规范要求；主梁刚度满足规范要求。

6 结语

连续箱梁具有整体性好、适应性好、施工工艺成熟等优点。在充分考虑技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的桥梁设计原则下，对舟山市小干二桥引桥某联2×36 m连续箱梁桥进行了精细设计及计算，结果表明结构构造尺寸合理，各项验算指标满足规范要求。该联连续箱梁桥，在结构尺寸拟定和钢束配置等方面，可为今后类似桥梁工程提供一定的参考。

U442

B

1009-7716（2017）06-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.040

2017-03-13

谢居才（1983-），男，河南周口人，工程师，从事桥梁工程设计工作。