变截面预应力混凝土现浇箱梁在跨线桥梁中的应用

董红

（中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

1 概述

纬一路是综合保税区封关区内的东西向主干路，布设在综保区封关区中央，是联系封关区内口岸作业区、保税物流区与保税加工区等功能片区的主要通道，道路等级为城市主干路，全宽24.5 m。项目区内设一座桥梁跨越纬二路及现状西环路，形成沟通项目南北两侧用地的重要通道。

现状西环路宽32.5 m（见图1），横断面布置为3 m人行道+12.5 m机动车道+1.5 m中分带+12.5 m机动车道+3 m人行道=32.5 m。桥位处紧邻平交口，交叉角度73°。桥位处道路无拓宽规划。

图1 被交路标准横断面（单位：m）

纬二路及巡逻道为园区内新建道路，利用桥孔下穿。纬二路为支路，宽度为9.5 m，通行净空按不小于5.0 m控制；纬二路外侧设巡逻专用道，宽度为5 m，通行净空按不小于5.0 m控制。

桥梁需连跨南侧园区内支路、园区内巡逻专用道、某西环路及东北地块内巡逻专用道。

2 桥梁方案比选

桥梁主要应满足保税区建设发展中车流和人流的交通需要，使交通流能顺畅地跨越某西环路南北两侧用地，促进保税区的经济发展。同时桥梁基于“安全、适用、经济、美观和有利于环保”的原则，做到技术可行、经济合理，并尽量做到标准化、装配化和施工机械化。在保证工程质量的前提下，加快工程建设进度，降低造价。

大桥总体方案根据设计原则及具体情况分别就混凝土现浇箱梁和钢箱梁方案进行了比选。

方案一：变截面预应力混凝土现浇箱梁（见图2）。全桥跨径布置为[3×30+（33+55+33）+2×（3×30）+3×30]m，总长486.5 m。主桥采用（33+55+33）m变截面预应力混凝土现浇箱梁，引桥根据平面线形采用30 m预应力混凝土现浇箱梁和30 m装配式预应力混凝土箱形连续梁。下部结构采用花瓶墩、U形台、钻孔灌注桩基础。

方案二：钢箱梁（见图3）。全桥跨径布置为[3×30+（33+55+33）+5×30+3×30]m，总长 456.5 m。主桥采用（33+55+33）m钢箱梁，引桥结构形式与主桥相同。下部结构采用花瓶墩、U形台、钻孔灌注桩基础。

图2 现浇箱梁方案（单位：cm）

图3 钢箱梁方案（单位：cm）

2.1 结构型式

方案一采用变截面预应力混凝土现浇箱梁，整体性及耐久性好，造型好，行车平顺舒适，如图4所示。

图4 方案一效果图

方案二采用钢箱梁，梁高较低，桥梁规模较小，便于在工厂加工拼装，如图5所示。

图5 方案二效果图

2.2 施工难易程度

方案一桥梁上部采用支架施工及预制吊装施工，施工技术成熟，桥梁下部钻孔灌注桩采用钻机成孔施工，总体施工难度小。

方案二钢箱梁采用吊装拼接方法施工，现浇箱梁采用满堂支架施工，预制箱梁采用预制吊装施工，施工技术成熟，桥梁下部钻孔灌注桩采用钻机成孔施工，钢箱梁总体施工难度略大。

2.3 对西环路交通的影响程度

考虑到南侧地块面积较大，设计建议南侧地块分区施工，先行修建纬一路的南半幅，并铺筑便道连通西环路，将其作为南侧地块各分区的进出道路及西环路的分流道路，如图6所示。

图6 施工期交通组织

方案一主桥在施工上部结构时，由纬一路南半幅承担大型车的通行，主桥下搭设门洞供小型车及慢行交通通行。供小型车通行的门洞净高为4.5 m，净宽为7.5 m；供慢行交通通行的门洞净高为2.5 m，净宽为3.5 m。对被交路交通影响较小。

方案二钢箱梁采用吊装拼接方法施工，对被交路交通影响较小。

2.4 运营期养护情况

方案一混凝土结构，工作量小。

方案二钢结构需定期养护，工作量大。

2.5 施工工期

方案一混凝土结构比方案二钢箱梁施工工期略长。

2.6 综合建安费

方案二钢箱梁建安费是方案一混凝土结构的1.25倍，现浇箱梁建安费较低。

综上，根据对比结果，变截面预应力混凝土现浇箱梁整体性好，行车平顺舒适，造价稍低，养护工作量小，后期维护便捷，最终确定大桥采用（33+55+33）m变截面预应力混凝土现浇箱梁方案。

3 桥梁结构设计

3.1 构造设计

（1）主桥上部为（33＋55＋33）m 三跨变截面预应力混凝土连续箱梁，桥宽24.5 m，横断面构造为单箱三室结构，箱梁支点高度3.3 m，跨中2.0 m,箱梁高度按圆曲线变化。中横梁厚度为2.5 m，端部边横梁厚度为1.8 m。箱梁采用纵向、横向预应力体系。

（2）箱梁截面顶板宽24.5 m（见图7），翼缘悬臂长度为3.5 m，腹板根部厚度60 cm；底板宽13.45～15.4 m，厚度按半径为319.281的圆曲线变化，由跨中的0.25 m变化至距主墩中心线1.85 m处的0.536 m；腹板厚度0.45～0.7 m。

图7 标准横断面示意图（单位：cm）

（3）主桥连续箱梁采用少支架施工，施工时应注意尽量减少对下穿被交路通行的影响。

主桥施工步骤主要如下：立模板，绑扎钢筋，安装箱梁预应力管道，现浇箱梁混凝土。待混凝土强度和弹性模量达到设计强度的90%以上且龄期不小于7 d后，再依次对称张拉预应力束，压紧并浇筑封锚处混凝土，最后施工桥面系，成桥。

纵向计算使用单梁法计算，将箱梁沿纵向划分成1.0 m左右的梁单元（见图8）。根据实际施工阶段过程划分计算阶段。计算结构施工、运营阶段的位移、内力和应力；按规范规定的荷载组合验算梁体在承载力极限状态下的承载力是否满足规范要求，正常使用状态下的使用性能是否满足规范要求。

3.2 结构计算

变截面预应力混凝土连续箱梁纵向结构按全预应力混凝土构件计算，横向桥面板按A类预应力混凝土构件计算。

3.2.1 纵向计算

纵向建模计算时，不考虑桥面板横向预应力效应，仅将该部分钢筋及其预应力效应作为安全储备。

图8 结构离散模型

按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）进行作用效应组合。参与组合的主要作用为永久作用（结构自重、桥面铺装、混凝土收缩及徐变作用、基础变位作用）、可变作用（汽车荷载、汽车冲击力、温度作用）。

从计算结果[5]可以看出：

（1）施工阶段法向应力验算（短暂状况构件应力验算）。

截面边缘混凝土的法向压应力[1]应符合下式规定：

截面边缘混凝土的法向拉应力[5]应符合下式规定：

法向压应力最大值11.107 MPa＜容许值18.144 MPa，法向拉应力最小值1.315 MPa＞容许值-1.484 MPa，均满足设计规范要求。

（2）持久状况承载能力极限状态验算。

从图9中可以看出，各截面的弯矩（剪力、抗扭）设计值×结构重要性系数，均小于构件弯矩（抗剪、抗扭）承载能力设计值[5]。各截面验算均满足规范要求。

图9 承载能力验算包络图

（3）持久状况正常使用极限状态验算。

挠度计算考虑挠度长期增长系数后中跨长期挠度13 mm，边跨长期挠度4.6 mm，远小于允许挠度（1/600L），满足要求。

使用阶段正截面抗裂和斜截面抗裂验算对于全预应力构件，在作用（荷载）短期效应组合下应符合下列条件：

分段浇筑或砂浆接缝的纵向分块构件[5]：

现场浇筑（包括预制拼装）构件[5]：

从图10中可以看出，结果均未超过容许值，且有一定的富余，满足规范要求。

图10 正常使用极限状态验算包络图

（4）持久状况构件应力验算。

经计算，受拉区预应力钢筋应力均在容许应力范围内，不再展开详述。

正截面混凝土法向压应力受压区混凝土的最大压应力（见图11）14.15 MPa＜容许值16.2 MPa，满足设计要求。

图11 正截面混凝土法向压应力验算包络图

斜截面最大主压应力值（见图12）14.146 MPa＜容许值19.44 MPa，满足设计要求。

图12 混凝土主压应力验算包络图

综上，对主桥上部结构纵向进行了施工流程验算、持久状况承载力极限状态验算、持久状况正常使用极限状态验算、持久状况构件应力验算，计算结果均满足设计规范要求[5]。

3.2.2 横向计算

对桥面板采用跨中单位长度箱梁进行框架模型计算（见图13），边界条件为腹板底部连续支承。纵向单元长度取1.0 m。

图13 横向离散模型

汽车作用时，在车行道范围内桥面板车轮荷载分布宽度根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）计算。

计算结构施工、运营阶段的位移、内力和应力，按《公路桥涵设计通用规范》规定的荷载组合，梁体在承载力极限状态下的承载力、正常使用状态下的使用性能验算结果均满足规范要求。

3.3 施工要点

（1）箱梁设计采用搭支架现浇，支架必须保证有足够的刚度、强度和稳定性，根据具体的地质情况，支架下设置合理的基础，支架必须进行预压（120%恒载），以消除其非弹性变形及基础沉降，待支架充分稳定达到连续3 d累计沉降不超过3 mm，且预压时间不少于7 d后，再浇筑箱梁。

（2）箱梁浇筑应从跨中向墩顶方向浇筑，最后浇筑墩顶两侧各3 m左右范围内梁段，纵向一联箱梁一次浇筑成功，竖向建议按底板、腹板（包括横隔板）→顶板顺序浇筑。

（3）主桥钢束按如下顺序张拉：纵向腹板钢束（先上后下）、纵向顶板钢束、纵向底板钢束、桥面板横桥向钢束。纵向顶、底板钢束的张拉原则为先长后短。同型号钢束必须左右对称张拉。

4 结语

跨线桥主要控制因素为被交路的现状及规划情况，设计时应加强现场测量与调查，了解区域水文、地质情况，跨越道路的现状及近、远期规划情况。合理确定桥跨布置，对于跨越等级公路桥梁布孔时尽量一孔跨越；对于非主孔部分，在满足不同功能的前提下，尽量选择合理的同一跨径来布设，以方便施工，降低造价。桥梁上部结构应尽量选用耐久性较好的预应力混凝土结构。

本文详述了变截面预应力混凝土现浇箱梁在跨桥桥梁应用中的优势，并对结构设计及计算结果进行了详细的分析，计算结果均满足设计要求。对跨线桥梁的设计与发展有很好的借鉴作用。