大跨径预应力混凝土连续梁桥设计浅析

刘学谦 陈玉龙 潘 诚

（1．中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010；2．武汉理工大学，湖北 武汉 430010）

随着悬臂、顶推等施工工艺的应用成熟，及预应力技术的发展完善，在大跨度桥梁建设中，预应力混凝土连续梁桥的应用越来越广泛。该类桥梁具有结构刚度大、整体性能好、结构受力合理、行车舒适度高、造型简洁美观等优点。但受众多因素的影响，近年来已建成的该类桥梁中出现了大量病害，对桥梁的结构安全和耐久性产生严重影响。因此，应保证设计工作的合理性及科学性，最大限度地提高桥梁工程质量，延长桥梁使用寿命。本文将结合具体工程实例，阐述大跨径预应力混凝土连续梁桥设计及计算分析的要点。

1 工程概况

港窑路跨三峡高速高架桥[1]是宜昌市港窑路（夷陵长江大桥-峡州大道）市政工程项目中一座重要桥梁。桥梁全长580.4 m，桥宽25.9 m，共5联。其中第1联上跨三峡高速公路，上部结构跨径组合为（48+80+48）m，采用预应力混凝土变截面箱梁。第1联桥型立面布置如图1所示。

图1 桥型立面布置图/cm

2 主要设计标准

（1）道路等级：快速路；设计时速60 km/h。

（2）设计荷载：城市－A级。

（3）抗震标准：地震动峰值加速度0.05g，基本烈度6度，按7度设防；桥梁抗震设防类别乙类。

（4）桥梁结构设计基准期：100年；桥梁使用年限100年；安全等级：一级。

3 桥梁结构设计要点

3.1 纵截面参数确定

为了能够较好地拟合连续梁的内力分布规律，大跨径预应力混凝土连续箱梁宜采用变截面。其边跨与中跨长度比例一般控制在0.5～0.8范围内，支点处梁高宜取（1/16～1/25）L，跨中处梁高宜取（1/30～1/50）L，梁底曲线可采用1.5～2次抛物线。故第1联上部结构跨径组合采用（48+80+48）m，边中跨比取0.6，支点梁高5 m，中跨梁高取2.2 m，梁底按2次抛物线变化。

3.2 横截面参数确定

箱型截面的顶底板是桥梁结构承受正负弯矩的主要部位，顶板厚度的确定既要考虑桥面板横向弯矩又要考虑预应力钢束的布置要求，一般不小于25 cm[2]；随负弯矩的增加，箱梁底板厚度至墩顶处逐渐增加，其厚度变化曲线一般为梁高的同类曲线。箱梁结构弯曲、扭转所产生的主拉应力主要由箱梁腹板来承受[3]。箱梁腹板厚度需根据其受力需求和构造要求应有所变化，一般箱梁根部腹板厚度较大，且变化段纵向长度应大于12倍的腹板宽度差值。

结合工程实际情况，同时考虑箱梁结构的承载力及刚度要求，主桥箱梁横截面采用单箱四室斜腹板截面形式。箱室顶板厚度为28 cm，支点处底板厚150 cm，跨中底板厚25 cm。边支点段腹板厚度由65 cm渐变至50 cm，中支点段腹板厚度由90 cm渐变至70 cm，中间段腹板厚度由70 cm渐变至50 cm。横断面布置图如图2所示。

图2 横梁断面布置图/cm

3.3 预应力钢束布置

桥梁结构按A类预应力混凝土构件设计，采用纵、竖双向预应力体系。纵向预应力采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的φS 15.2 mm高强度低松弛钢绞线，分顶板束、腹板弯起束及边、中跨合龙束四类，采用15-12、15-15、15-19三种类型的钢绞线；锚具采用群锚体系。竖向预应力束采用JL25的精轧螺纹钢筋，YGM锚具，纵向标准间距为50 cm。预应力钢束布置见图3。

图3 预应力钢束布置图

4 桥梁结构计算分析

4.1 模型概况

采用有限元计算软件midas civil2012，建立梁单元模型，全桥上部结构共划分为195个单元，186个节点。主要考虑恒载、活载、预应力、收缩徐变、基础沉降、温度效应等荷载作用。上部结构采用悬浇施工方法，根据施工步骤建立多个施工工况，对结构内力及应力状态逐阶段进行分析，结构计算模型如图见4。

图4 上部结构计算模型

4.2 计算结果分析

4.2.1 正截面抗弯承载力验算

由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[4]，第5.1.2条可知，桥梁结构的承载能力极限状态的计算需满足γ0S≤R，再根据规范5.2.2-5.2.6条，具体验算结果见表1。

表1 正截面抗弯承载力验算表/(kN·m)

由表1验算结果可知，截面的内力均小于截面的抗力，满足规范要求，且具有一定的安全储备。

4.2.2 正截面抗裂验算

桥梁结构按A类预应力混凝土构件设计，根据规范[4]第6.3.1条对其正截面拉应力进行验算。正截面混凝土拉应力应满足如下规定：在作用（或荷载）的短期效应组合下σst-σpc≤0.7ftk；在作用（或荷载）的长期效应组下σlt-σpc≤0。具体验算结果见表2、表3。

表2 短期效应组合正截面抗裂验算表/MPa

表3 长期效应组合正截面抗裂验算表/MPa

由表2、表3可知，在短期效应组合作用下，结构拉应力均小于规范容许值；在长期效应组合作用下，结构没有出现拉应力，验算结果满足规范要求。

4.2.3 斜截面抗裂验算

根据规范[4]第6.3.1-8条，应对预应力混凝土受弯构件斜截面主拉应力进行验算。且满足如下规定：现场浇筑的A类预应力混凝土构件，在作用（或荷载）的短期效应的组下σtp≤0.5ftk。

分析计算结果可知，最大主拉应力出现在中支点截面，为-1.013 MPa，小于容许值-1.325 MPa，满足规范要求。4.2.4 施工阶段应力验算

根据规范[4]第7.2.8条，在施工阶段荷载作用下，混凝土受弯构件截面边缘的法向应力应满足：压应力σCC≤0.7fck'；拉应力σct≤0.7ftk'。验算结果见表4。

表4 施工阶段应力验算表/MPa

由表4可知，施工阶段法向压应力与法向拉应力均小于规范容许值，满足规范要求。

4.2.5 正截面压应力验算

根据规范[4]第7.1.5条的规定，应对预应力混凝土受弯构件正截面压应力进行验算，且符合下式规定：σkc-σpt≤0.5fck，验算结果见表5。

表5 正截面压应力验算表/MPa

由表5可知，正截面压应力小于规范容许值，满足规范要求。

4.2.6 斜截面压应力验算

根据规范[4]第7.1.6条的规定，应对预应力混凝土受弯构件在作用标准值和预加力作用下产生的混凝土主压应力进行验算，且符合下式规定：σcp≤0.6fck。

分析计算结果可知，斜截面最大主压应力13.525 MPa，小于容许值19.44 MPa，满足规范要求。

4.2.7 主梁挠度验算

根据程序计算可知，正常使用极限状态结构由汽车荷载引起的竖向变形最大为-15.2 mm。按规范[4]6.5.3 条规定，当采用C40～C80 混凝土时，挠度长期增长系数ηθ＝1.45～1.35，C50 混凝土按直线内插得ηθ＝1.4。

由计算可知，消除构件自重的长期挠度的跨中最大值为：fmax=1.425×15.2 mm=21.7 mm，小于计算跨径80 m×1/600＝133 mm，挠度验算满足规范要求。

5 结语

本文结合港窑路跨三峡高速高架桥工程实例，从纵桥向和横桥向尺寸拟定及预应力钢束布置等方面阐述了预应力混凝土变截面连续梁桥设计过程中的一些要点，并采用有限元分析软件midas civil2012进行了计算分析，结构尺寸合理，受力安全可靠，满足规范要求。