淺談2×85 m T型剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

陳 杰

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海市200070）

1 概述

某橋橋址位于江中，全橋長2.12 km，主橋由東、西單塔雙跨自錨式懸索橋和T型剛構(gòu)組成。T構(gòu)位于東、西懸索橋之間，根據(jù)東、西懸索橋推薦方案確定該T構(gòu)跨徑為（84.6+84.6）m（見圖 1）。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市Ⅰ級主干道，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h。

（2）橋軸平面線型：直線。

（3）橋面縱坡：1.055%，-1.558%(變坡點(diǎn)距小里程側(cè)梁端9.6 m)。

（4）橋面橫坡：2%(雙向)。

（5）橋面寬度：2 m人行道+0.5 m防撞欄桿+22 m雙向6車道+0.5 m防撞欄桿+2 m人行道=27 m。

（6）設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級。

（7）通航標(biāo)準(zhǔn)：由主航道控制。

（8）地震烈度：基本烈度Ⅵ度，地震動峰值加速度0.05 g。

（9）安全等級：一級，重要性系數(shù)1.1。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部構(gòu)造

上部結(jié)構(gòu)采用（84.6+84.6）m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，T構(gòu)根部梁高8.6 m，梁端梁高3.2 m，梁高按二次拋物線變化。箱梁0號塊為12 m，懸臂澆注塊件單側(cè)19塊，1號～3號塊長3.0 m，4號～6號塊長3.5 m，7號～19號塊長4.0 m，現(xiàn)澆段7.1 m。

箱梁采用單箱雙室直腹板箱形截面（全橋分幅建設(shè)會影響懸索橋錨固區(qū)布置，因此推薦采用單幅橋方案設(shè)計(jì)），箱頂寬27 m，箱底寬17.8 m；頂板厚30 cm，在根部局部加厚至50 cm；底板厚30～120 cm；腹板厚50～80～100 cm；每側(cè)翼緣懸臂長4.6 m，懸臂端部厚20 cm，根部由50 cm變厚至80 cm。

T構(gòu)采用雙薄壁墩，梁內(nèi)墩壁設(shè)置1.2 m×1.2 m過人洞，邊墩墩頂設(shè)置厚1.5 m的橫隔墻，橫隔墻設(shè)置1.2 m×1.2 m過人洞。

該橋橫截面見圖2所示。

該橋與部分國內(nèi)同類公路橋梁[1-5]細(xì)部尺寸及用料指標(biāo)比較列于表1、表2。

3.2 預(yù)應(yīng)力體系

箱梁采用縱向、橫向、豎向三向預(yù)應(yīng)力體系?？v向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橫向按部分預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。

縱向和橫向預(yù)應(yīng)力采用符合GB/T 5224-2003的φs15.2mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線?？v向預(yù)應(yīng)力是主要受力鋼束，配置時既要考慮構(gòu)件整體受力，也要考慮受力的局部影響，還要考慮施工和操作的方便。該橋縱向預(yù)應(yīng)力束按以下原則布置：

（1）縱向預(yù)應(yīng)力束分層布置時盡量使長束布置在上層，短束布置在下層，且管道上下對正以利振搗，一般來說先錨固下層鋼束，后錨固上層。

（2）縱向預(yù)應(yīng)力束盡可能靠近腹板布置，頂板束集中錨固在承托中，可避免設(shè)置復(fù)雜的齒板構(gòu)造，底板束平彎到腹板附近錨固。

（3）盡量使每個懸澆節(jié)段有腹板下彎束，以利控制箱梁腹板主拉應(yīng)力和下緣正應(yīng)力。

（4）在頂、底板上錨固的縱向預(yù)應(yīng)力束，盡可能布置在截面的受力較大區(qū)段內(nèi)。

圖1 T構(gòu)總體圖 (單位：c m)

圖2 箱梁橫截面圖(單位：cm)

表1 某橋與部分國內(nèi)同類公路橋梁細(xì)部尺寸比較表

表2 某橋與部分國內(nèi)同類公路橋梁上部結(jié)構(gòu)主要指標(biāo)比較表

（5）力求預(yù)應(yīng)力鋼束均勻、對稱于橋中心線布置，防止在某些斷面上應(yīng)力集中,以及產(chǎn)生橫向影響。

縱向預(yù)應(yīng)力的頂板束采用22-φs15.2 mm，頂板合攏束、底板束采用19-φs15.2 mm，腹板下彎束采用19（22）-φs15.2 mm。根部共布置118束頂板束和27束腹板下彎束，跨中底板布置21束合攏束，梁端頂板布置12束合攏束?？v向鋼束布置見圖3所示。

橫向預(yù)應(yīng)力采用3-φs15.2mm，間距為50 cm，交替單端張拉。豎向預(yù)應(yīng)力采用符合GB-T20065-2006預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋的PSB830級的精軋高強(qiáng)螺紋粗鋼筋，直徑32 mm，精軋鋼筋縱向間距0.5 m，在腹板厚度≤80 cm時，設(shè)置一排豎向預(yù)應(yīng)力筋，腹板厚度＞80 cm時設(shè)置雙排豎向預(yù)應(yīng)力筋。縱向預(yù)應(yīng)力錨具采用M15-22、M15-19，梁端采用M15P-19（固定端P型錨具）；橫向預(yù)應(yīng)力錨具采用BM15-3、BM15P-3，豎向預(yù)應(yīng)力采用JLM-32錨具。

3.3 下部構(gòu)造

主墩墩身采用鋼筋混凝土雙薄壁實(shí)心墩，墩高23.2 m。單壁平面尺寸17.8 m×1.2 m，墩身迎水面設(shè)為圓端型，薄壁墩雙肢中心距為5 m。基礎(chǔ)位于江中，采用圓端形高樁承臺，主墩承臺厚4 m，10.2 m（縱向）×27m（橫向），樁基采用8根直徑為2.8 m的鉆孔灌注樁，樁長6 m，嵌入中等風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖1.5 m。

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3.4 建筑材料

主梁C55混凝土、墩身C40混凝土、承臺C30混凝土、樁基C30水下混凝土。

4 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

4.1 縱向計(jì)算

采用橋梁博士V3.0.3對主橋進(jìn)行施工階段和使用階段的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

計(jì)算模型:上部結(jié)構(gòu)共劃分為49個節(jié)點(diǎn)，48個單元；橋墩劃分為14個節(jié)點(diǎn)，12個單元；承臺1個單元；樁基礎(chǔ)1個單元；掛籃4個單元（見圖4）。墩梁采用共節(jié)點(diǎn)形成剛臂，下部樁基采用單柱式模型模擬群樁基礎(chǔ)。結(jié)合施工流程，全橋共劃分為67個施工階段，每個梁段的施工分為安裝（移動）掛籃、澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束3個工序。

4.1.1 計(jì)算荷載

（1）結(jié)構(gòu)重力：預(yù)應(yīng)力混凝土自重為26 kN/m3，鋼筋混凝土自重取25 kN/m3，瀝青混凝土自重取24 kN/m3。端橫梁及0號段橫隔板自重作為集中力加載于主梁上。

（2）縱向預(yù)應(yīng)力：鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，錨下控制應(yīng)力1 395 MPa，鋼束管道摩阻系數(shù)μ＝0.17，管道偏差系數(shù)k＝0.001 5。

（3）混凝土收縮徐變作用：環(huán)境相對濕度80%，收縮徐變時間10 a，混凝土平均加載齡期7 d，收縮徐變影響力按規(guī)范計(jì)算。

（4）基礎(chǔ)變位作用：主墩及邊墩不均勻沉降均按1 cm考慮。

（6）汽車制動力及沖擊力按規(guī)范計(jì)算。

（7）人群荷載：人群荷載和汽車荷載組合時取4 kN/m2；滿人荷載工況，人群荷載取2.5 kN/m2。

（8）風(fēng)荷載：橋梁所在地區(qū)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速V10=25.6 m/s，按規(guī)范有關(guān)規(guī)定計(jì)算荷載。

（9）溫度作用：考慮橋面板局部升溫，升溫：T1=14℃，T2=5.5℃，降溫：T1=7℃，T2=2.75℃，整體升溫20℃，降溫20℃。

（10）施工臨時荷載：施工掛籃重（含施工機(jī)具、人員等）按1 600 kN/套計(jì)算。

4.1.2 驗(yàn)算結(jié)果

圖3 鋼束布置立面圖(單位：cm)

按公路規(guī)范對主梁進(jìn)行持久狀況承載能力、正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，結(jié)果見表3所列。

圖4 單元劃分示意圖

表3 持久狀況承載能力、正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果匯總表

按荷載短期效應(yīng)組合進(jìn)行計(jì)算并考慮長期效應(yīng)的影響，橋上車道荷載和人群荷載作用時，消除自重后結(jié)構(gòu)最大豎向撓度11.3 mm，撓跨比1/7 433＜1/600。主梁在自重、二恒、預(yù)應(yīng)力等除混凝土收縮徐變以外的永久作用下的最大撓度值為19.3 mm，撓跨比1/4 352＜1/4 000。

在預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)自重等施工荷載作用下,截面最大壓應(yīng)力為14.7 MPa，最大拉應(yīng)力為1 MPa，均滿足規(guī)范要求。

縱向計(jì)算結(jié)果表明：在施工和運(yùn)營使用階段橋梁應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度均能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4.2 橫向計(jì)算

主梁橫向計(jì)算主要包括橫截面和支點(diǎn)處橫梁計(jì)算。

橫截面計(jì)算：按照一次落架的施工方法采用平面桿系理論進(jìn)行計(jì)算，沿橋梁縱向截取單位長度的梁體，按被支承在主梁腹板中心線下緣的箱形框架計(jì)算,將車輪荷載按有效分布寬度計(jì)算出作用在每延米橋面板的荷載值，在其實(shí)際作用范圍按最不利加載。計(jì)算荷載包括橫載、活載、預(yù)應(yīng)力、整體升降溫、頂板不均勻升溫5℃。在張拉預(yù)應(yīng)力階段，滿足部分預(yù)應(yīng)力要求。

支點(diǎn)處橫梁：根據(jù)支座實(shí)際支承位置、承載力大小按梁計(jì)算截面內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果顯示，采用三支座時，橫梁按照鋼筋混凝土構(gòu)件配置普通鋼筋，控制截面強(qiáng)度和裂縫。

4.3 墩身檢算

剛構(gòu)墩墩身采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按偏心受壓構(gòu)件對成橋階段及施工最大懸臂階段的強(qiáng)度、裂縫寬度及穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 控制撓度采取的措施

大跨剛構(gòu)跨中下?lián)嫌绊懥藰蛎娴钠秸?，使得行車舒適性差，帶來使用安全的危機(jī)，對當(dāng)前大跨剛構(gòu)撓度控制措施進(jìn)行反思，從設(shè)計(jì)上采用如下措施：

（1）高跨比合適，適當(dāng)增加梁高，可以加大主梁剛度，改善主梁應(yīng)力狀態(tài)。

（2）可適當(dāng)減小拋物線次數(shù)，以增加剛構(gòu)1/4跨截面處截面高度（此處剪應(yīng)力通常較大）。

（3）控制梁高度方向應(yīng)力梯度（以減小彎曲徐變），增加頂板負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力筋、增加中支點(diǎn)區(qū)域底板厚度。最小壓應(yīng)力儲備不宜小于1 MPa。

（4）控制混凝土最小最大應(yīng)力比大于0.5，這種情況下混凝土徐變不會出現(xiàn)發(fā)散情況。某橋在持久狀態(tài)（標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)組合）預(yù)應(yīng)力混凝土主梁上緣最小正應(yīng)力/最大應(yīng)力比最小值為0.92，下緣最小正應(yīng)力/最大應(yīng)力比最小值為0.85。即混凝土疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)為1.0。

（5）控制預(yù)應(yīng)力張拉齡期，減小加載齡期對徐變的影響，張拉齡期不小于7 d。

（6）增大混凝土配筋率，減小混凝土收縮徐變影響。

（7）增加頂板、中跨底板備用預(yù)應(yīng)力鋼束。

（8）合理設(shè)置預(yù)拱度，對成橋后下?lián)掀鸬揭欢ǖ牡窒饔谩?/p>

6 結(jié)語

本文對2×85 m、橋?qū)?7 m、單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土T型剛構(gòu)公路橋設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹，從設(shè)計(jì)角度總結(jié)了控制剛構(gòu)橋跨中下?lián)系拇胧瑸橐院蟠罂缍萒構(gòu)橋設(shè)計(jì)提供參考。

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]鄔曉光.剛架橋[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4]劉效堯，徐岳.梁橋（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]高波，劉成才.三里大橋主橋設(shè)計(jì)[J].科技資訊,2011,（02）：30-31.