高速公路预应力桥梁结构设计研究

韩 峰

（华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210014）

0 引言

预应力结构的优点为可以有效提高混凝土的抗拉性能，但基于预应力中诸多不稳定因素影响，对整体结构强度、质量也会带来一定威胁。现如今，预应力混凝土在路桥工程中的应用范围愈发广泛，正是由于其适用性高，可以更好地确保建筑物和施工安全，同时具备经济性和合理性等优点，且能够真正实现技术、质量和美学的和谐统一。

1 工程概况

工程全线设置主线桥梁（含互通、服务区内主线桥）37座，桥长共计10 417.56 m，其中特大桥2座，总长2 799.8 m；大桥10座，总长6 105.76 m；中小桥25座，总长1 512.0 m。设计荷载标准：公路-Ⅰ级；设计速度：主线120 km/h；主线标准桥面宽度：双向四车道，总宽27 m，桥面净宽2×11.975 m；主线桥下部结构在满足受力要求的基础上，根据跨径和墩台高度，将下部结构形式尺寸进行适当归并统一。主线16 m、20 m跨径空心板桥采用1.1 m墩柱接1.2 m桩基；30 m跨径箱梁采用1.4 m墩柱接1.5 m桩基，35 m跨径采用1.6 m墩柱接1.8 m桩基。

2 选材及选型设计

2.1 混凝土材料的选择

（1）水泥。选择质量相对稳定的硅酸盐水泥，并确保材料中的碱不超过0.6%，熟料内所含的C3A不超过8%。其他技术要求应与相关规定相符。一座桥梁中的预制板要确保所使用的水泥种类相同。

（2）细骨料。细骨料要挑选一些天然且硬质洁净的粗河砂，倘若要应用机制砂，则要挑选经过专业处理和试验的机制砂，细度模数确保在2.6～3.2之间，泥的含量也要≤2%，所含泥块量在0.5%以下。

（3）粗骨料。粗骨料要挑选耐久性较高且较坚硬的品类，如卵石等，且孔隙率不超过40%，压碎指标也不能超过20%，母岩抗压强度和混凝土设计强度的比例要超过1.5，泥含量＜1%，其中的泥块量应不超过0.5%，所含的针片状应不超过10%。最佳的粒径应处于5～20 mm之间，连续级配，最大的粒径应小于25 mm，且要保证小于或者等于钢筋净距最小值的3/4。

（4）挑选的骨料需要在施工之前通过试验明确其碱活性。须注重挑选非活性骨料，不建议挑选膨胀率超过0.2%的碱-硅酸盐反应活性骨料。如果所挑选骨料的膨胀率处于0.1%～0.2%之间，混凝土内所含的碱总量要小于2.8 kg/m3，同时，要通过有效的试验进行检测，以确保合格。

（5）在挑选矿物掺和料时，优先考量具备稳定性特点的粉煤灰，且要保证其内部所含氯离子不超过0.02%，同时满足相应规范要求。

（6）外加剂。外加剂的挑选应优先考量稳定性高，并可以和胶凝材料有效相容的品类。减水剂可挑选聚羧酸高性能一类，也要满足《混凝土外加剂》（GB8076—2008）标准规定的要求[1]，具体的掺量和水泥是否能够适用，应通过相应试验来确定。膨胀剂以及引气剂也要满足相关标准规范要求。

2.2 钢筋选材

（1）梁底调平钢板采用Q355qD，应符合《桥梁用结构钢》（GB/T714—2015）规定；护栏采用Q355，其余均采用Q235，应符合《碳素结构钢》（GB/T700—2006）规定。

（2）挑选焊接材料时，应考虑挑选能够匹配母材的焊条以及焊丝等，二氧化碳的纯度要≥99.5%，同时要确保材料满足国家规定要求。

（3）低松弛高强度预应力钢绞线。预应力钢绞线应符合《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224—2014）标准。一根标准型钢绞线的直径为ФS15.2 mm，面积为140 mm2，抗拉强度应保持在1 860 MPa。

3 预应力桥梁结构设计

3.1 上部构造设计

3.1.1 预应力混凝土空心板

该标段位于平曲线上的空心板梁桥，桥墩按照径向布置，采用弯桥折做，桥台平行于边孔梁端线，用护栏调整为曲线。

①预应力混凝土空心板是结构简支、桥面连续结构，板梁结构以A类构件进行预应力设计；②利用平面杆系结构软件开展计算操作，现浇层应为受力部分，以简支正板作为跨中弯矩的设计凭据，以简支斜板作为支点剪力的设计凭据。借助杠杆法实现横向分布系数支点的计算，利用铰接板梁法实现四分点至跨中的计算，四分点至支点，依照直线内插可得；③具体参数如下：预应力钢筋的松弛系数为0.3、弹性模量为1.95×105MPa；混凝土的弹性模量为3.45×104MPa、重力密度为26.0 kN/m3；预应力损失参数：以50 m为标准计算台座的张拉长度，基于一端进行张拉，钢筋的回缩值设为6 mm，钢筋和台座之间的加热养护温差设为20 ℃；④处于运营中的主梁应力，根据预制板以及现浇混凝土以8 cm厚度的共同受力展开计算，没有参考铰缝截面的相关受力，只参考联结作用；⑤桥面铺装钢筋采用焊接钢筋网，斜交角≥20°时，设置角隅加强钢筋和钝角加强钢筋。

3.1.2 装配式PC连续（简支）箱梁

该标段位于平曲线上的装配式PC连续（简支）箱梁桥，墩、台按照径向布置，采用弯桥折做，用护栏调整为曲线。①装配式PC连续箱梁选用多箱单独预制，简支优先，连续在后的结构体系；②箱梁为部分预应力混凝土A类，以平面杆系有限元程序实现内力的计算，通过刚接板(梁)法对荷载横向分配系数进行计算，并用梁格法进行检算。桥面板计算按单向板和悬臂板计算；③计算参数参考：混凝土的弹性模量为3.45×104MPa、重力密度为26.0 kN/m3；管道偏差系数是0.001 5；锚具产生的变形以及钢筋的回缩均以6 mm为参考；沥青混凝土的重力密度为24.0 kN/m3；管道的摩擦系数为0.25。注重考虑竖向梯度温度效应，桥面现浇层及沥青铺装部分会对梯度温度造成一定的影响，根据有关要求进行取值设计。

3.1.3 现浇等截面连续箱梁

①桥梁截面形式为单箱多室，等高。桥面横坡形成方式：腹板铅垂，顶底板平行由箱梁整体旋转而成；②为了确保连续箱梁的抗剪性能，应尽可能挑选腹板预应力钢束。现浇预应力混凝土连续箱梁尽量采用两端张拉施工；③现浇预应力混凝土连续箱梁采用平面杆系有限元及梁格有限元程序按部分预应力混凝土A类构件计算（主线跨一线海堤特大桥主桥采用全预应力构件）。桥面板计算按单向板和悬臂板计算；④计算参数参考：混凝土的弹性模量为3.45×104MPa、重力密度为26.0 kN/m3；管道偏差系数是0.001 5；锚具产生的变形以及钢筋的回缩均以6 mm为参考；沥青混凝土的重力密度为24.0 kN/m3；管道的摩擦系数为0.25；针对支座不均匀沉降的摩擦桩可以按照L/4 000来确认。注重考虑竖向梯度温度效应，桥面现浇层及沥青铺装部分会对梯度温度造成一定的影响，根据有关要求进行取值设计。

3.1.4 悬浇梁

（1）上部构造。梁垛河主桥采用左幅（48+85+48）m的三跨变截面型的混凝土连续箱梁，选取的是单箱单室，箱梁梁高的变化以两次抛物线为标准，以距跨中1 m的位置，进行2.5 m的变化，直到和主墩的中心位置距离2.5 m的位置，变化5.1 m。同时，桥梁主体的墩顶位置0号块区域设计2.5 m厚的中横梁，于边跨的末端搭建1.8 m厚的端横梁，中跨跨中设置0.3 m厚中隔板。箱梁单幅全宽13.025 m，与横桥向的底板呈水平状态，箱顶部布设斜度为3%且方向单一的斜坡，箱梁的两边悬臂设计长度为3.2 m，并设计为竖、横、纵三向体系。

桥梁主体部分箱梁顶部结构的厚度是0.28 m。底板设计厚度以2次抛物线为标准，基于跨中0.3 m的位置开始变化直到和0号块中心位置相距3.5 m位置的0.8 m。对于箱梁腹板的厚度，要确保2～6号梁段以0.8 m为基准，9～11号以0.5 m为基准，7号和8号基于0.8 m直线渐变至0.5 m，0号从横梁位置的1.1 m直线渐变至0.8 m。为实现箱梁根部截面受力的优化目的，要在0号块两端周边的底板相关位置以及截面顶部实施加厚处理。

桥梁主体的连续箱梁选择的施工手段为挂篮悬臂浇筑法，“T”箱梁需要在支架上展开现浇操作的包括0号和1号块，其他的部分要划分成10对梁段，并选择逐段开展的平衡悬臂浇筑法。箱梁纵向悬臂的浇筑长度是36 m[分段为：（2×3+4×3.5+4×4）m]，1 号和 0 号的箱梁墩顶现浇块件总长度为11 m，中跨合拢部分的长度是2 m，边跨合拢部分的长度是2 m，边跨部分的现浇长度是4.42～7.84 m。

（2）预应力设计。主桥桥幅的纵向预应力挑选的是钢绞线束，选用规格为15Фs15.2、17Фs15.2。钢束张拉锚下控制应力设计为1 339.2 MPa，对应张拉力具体是3 187.3kN、2 812.3kN。箱梁顶部结构的横向预应力设计为3Φs15.2钢绞线，间距的布设控制在50 cm，交错固定一端进行张拉锚固相关操作，锚下的控制应力设计为1 339.2 MPa，对应控制张拉力是562.5 kN。

竖向预应力钢筋挑选的是直径为32 mm的精轧螺纹钢筋，型号为JL32，设计强度为fpk=785 MPa，弹性模量Ep=2×105MPa，每根设计张拉力为537 kN。80 cm腹板加厚段单个腹板截面横向布置2根，50 cm腹板等厚段及腹板变厚段单个腹板截面横向布置1根，竖向预应力沿桥轴线按50 cm间距布置，采用单端张拉（竖向预应力筋在梁顶张拉）方式，相应的预应力锚具为YGM-32和YGD-32垫板。在进行预应力的损失计算中，孔道偏差系数为0.001 5，管道的摩擦系数为0.25，锚具端回缩量为6 mm。

（3）计算参数。针对桥梁上部结构的静力分析，应基于《桥梁博士》展开具体计算。主要涉及温度变化（不论是升温还是降温，均需以20 ℃为标准）、活载、支座强迫位移（对于主墩产生不均匀沉降需要以2 cm为标准，边墩则需要以1 cm为标准）、恒载、预应力等，日照温度差异要根据相关规范内容等荷载作用实现有效计算[2]。具体计算中，根据相关标准内容，针对各类荷载展开差异化的荷载组合，针对结构的应力以及强度等，分别进行了计算核验。主桥的上部结构设计为全预应力混凝土构件。

针对桥梁上部结构施工阶段展开的计算，基于梁段进行施工工艺和顺序等的划分，针对各梁均参照张拉预应力以及挂篮移动就位等过程。其中，挂篮设计重量为60 t，参考《桥梁博士》有关专业内容，针对各梁段施工期间的挠度以及内力等实施了计算与核验。主桥先边跨合拢，然后拆除临时锚固，最后展开中跨合拢相关操作。利用框架模型对箱梁进行横向分析计算，同时，将其作为依据实现顶板横向钢筋等相关构件的配置。

3.2 下部结构

工程主桥的下部具体结构包括承台、钻孔灌注桩等，其中，钻孔灌注桩的桩基础直径是1.8 m，薄壁空心墩顺桥向的设计尺寸是4 m、横桥向为7 m，承台顺桥向设计尺寸为16.5 m、横桥向为12 m。所选用支座为球形，具有减震防摩擦等功能，型号是SFJZ7MN以及SFJZ45MN。其中第二种型号的支座主要发挥支撑中间墩的作用，第一种主要发挥支撑过渡墩的作用。选择了梳齿板结构的伸缩缝，具体型号为320[3]。

以公路-Ⅰ级作为桥梁荷载，工程实际施工期间，针对合拢段的施工，温度建议控制在15～20 ℃，整体升温不应大于25 ℃，降温时不应大于零下30 ℃。针对预应力孔道，设计的摩擦系数是0.17，孔道偏差应保持在0.001 5之内，钢绞线松弛系数也要＜0.3，桥梁的支座所形成的不均匀沉降应维持在10～20 mm，挂篮施工期间，重量的最大值要＜1 000 kN，结束预应力张拉相关操作后，应及时采取锚固措施，且注意锚具的回缩量应＜6 mm[4]。

实际设计期间，主桥的上部结构划分为234个单元，以55个施工阶段作为整个桥梁建设过程展开施工模拟。对于最不利荷载的组合，箱梁上缘的应力最小值应为0.127 MPa，最大值应为17.2 MPa，下缘的应力最小值应为2.82 MPa，最大值应为15.8 MPa。

3.3 桥梁抗震设防方案

针对钢筋混凝土结构的桥梁建筑，现阶段应用最多的抗震体系包括两种。其一，按延性设计，受地震灾害影响时通过墩柱塑性变化，使得结构的使用寿命得以延长，将地震的能量耗散掉。针对此类结构，出现塑性变形的位置通常会设置于修复和检查便捷性均较高的构件上。其二，按减隔震设计，基于地震灾害影响，依靠上下结构相连的构件，如：支座、耗能装置等，产生塑性变形，结构周期延长，对地震产生能量起到消耗和分散的作用，最终实现地震反应的减弱或者消除。

该项目中对于20 m及以下跨径的预制板梁桥，支座采用橡胶支座，采用延性设计抗震体系，利用桥梁墩柱发生塑性变形耗散地震能量；对于20 m以上跨径的预制箱梁桥，支座采用高阻尼减隔震支座和水平力分散型支座；对于现浇连续箱梁桥，采用摩擦摆支座。如表1所示。

表1 桥梁抗震设防体系

4 结语

预应力桥梁结构设计时，要遵循因地制宜的原则，并根据相关单位提出的要求进行方案设计。桥梁设计期间，可参照其他国家先进技术，挑选适宜的设计方案，降低对后期施工或运营造成的不良影响，以确保桥梁结构的合理性，保证桥梁工程的整体质量，延长桥梁的使用寿命。