萬　麟　陳冠樺

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

大跨單箱單室預應力連續(xù)剛構設計探討

萬麟陳冠樺

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要蘭海高速貴州境遵義至貴陽段擴容工程中的連續(xù)剛構，單幅橋梁寬度16.5～16.75 m，采用寬箱大懸臂形式的單箱單室斷面，通過計算發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)的結構尺寸及預應力設置已不能滿足結構受力要求，應從梁高、腹板寬度、頂板厚度、預應力鋼束布置、跨中撓度控制等方面做一些調整。文中從設計構造及計算方面對該類型的預應力連續(xù)剛構設計進行總結。

關鍵詞連續(xù)剛構大跨寬橋單箱單室箱梁

隨著經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，早期建成的高速公路越來越不能滿足日益增長的交通量需要，現(xiàn)在高速公路建設均朝著多車道、設計車速較高的方向發(fā)展。連續(xù)剛構為山區(qū)公路經(jīng)常采用的一種結構形式，其重要性在山區(qū)公路中非常突出。蘭海國家高速公路遵義至貴陽段擴容工程位于貴州省遵義市和貴陽市境內，是國家高速公路網(wǎng)的組成部分，是西南出海大通道的重要組成部分，路線全長101.193 km，按雙向6車道高速公路標準建設，設計速度v=100 km/h，路基寬度33.5 m。本路線共有連續(xù)剛構橋梁4座，分別為主跨180 m的銀廠河特大橋、主跨200 m的長灘河特大橋和新田坡特大橋、主跨為160 m的柿花寨特大橋。橋梁上部箱梁均采用單箱單室的掛籃懸澆箱梁斷面形式，箱寬為16.5～16.75 m。目前這種寬度的連續(xù)剛構公路橋梁不是很多，按常規(guī)結構尺寸及預應力布置已不能滿足規(guī)范要求，本文選取具有一般連續(xù)剛構橋梁特點的銀廠河特大橋為例，從設計方面對寬幅單箱單室預應力連續(xù)剛構設計做一些探討[1]。

2.2外荷載與裂縫發(fā)展趨勢的關系

結構裂縫一直是工程界關心的熱點問題，預應力混凝土梁開裂后，由于裂縫的存在，中性軸會發(fā)生移動，開裂區(qū)截面彎曲剛度減小，從而造成截面應力的重分布，可能導致控制界面的轉移，所以開裂損傷對結構的內力影響分析是及其復雜的。梁體開裂荷載為850 kN，首先在梁體跨中出現(xiàn)垂直裂縫；隨著荷載的增加，陸續(xù)出現(xiàn)多條處置裂縫，而且分布均勻，隨著荷載的增加，開始出現(xiàn)斜裂縫，而且由跨中向加載點附近擴散，并且，裂縫的擴散趨勢不斷向著梁頂發(fā)展，2 900 kN時裂縫貫穿，梁體破壞。

3　結語

(1) 采用非線性有限元理論研究了單調加載方式下有粘結預應力混凝土T型梁的受力性能，模型在考慮材料、幾何非線性的前提下能夠深入揭示混凝土和預應力筋內力變化，應力變化計算結果與試驗結果吻合較好，從而驗證了模型中采用的單元類型、材料本構和破壞準則的可行性和合理性，也進一步明確了預應力混凝土T梁的力學性能和工作機理，為理論分析提供了參考依據(jù)。

(2) 由于ANSYS單元特性的局限，不能對裂縫的發(fā)展有一個精確的模擬，只能預測裂縫的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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[6]孟剛,賈金青,劉春梅.預應力超高強混凝土梁抗彎性能試驗研究[J]. 武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2013(6):1235-1238.

1　橋梁布置及構造

銀廠河特大橋為貴州境遵義至貴陽段擴容工程第5合同一座特大橋，主橋為96 m+180 m+96 m預應力混凝土連續(xù)剛構，最大墩高90 m，單幅橋梁寬度16.5 m。見圖1。

圖1　主橋橋型布置圖(單位：cm)

1.1主橋上部箱梁結構

上部箱梁為變截面單箱單室斷面，箱頂寬16.5 m，底寬8 m，箱梁頂面設單向2.0%的橫坡，材料為C55混凝土。

(1) 箱梁高度。0號梁段梁高為11.6 m，現(xiàn)澆段和合龍段梁高均為4.2 m，其間梁底下緣曲線按1.8次方拋物線變化。

(2) 箱梁截面頂板跨中厚度。0號梁段為60 cm，1號梁段由120 cm漸變?yōu)?6 cm，2號～20號段梁段為46 cm(見圖2)，邊跨合龍梁段及現(xiàn)澆段由46 cm直線漸變?yōu)?20 cm，梁端支承段為120 cm，中跨合龍梁段為46 cm。

(3) 箱梁底板厚度。0號梁段墩身范圍為150 cm，中跨合龍段為32 cm，邊跨合龍段由32 cm漸變至51.2 cm，邊跨現(xiàn)澆段由51.2 cm漸變至80 cm，現(xiàn)澆梁端支承段為80 cm，根部至合龍段底板厚度按1.8次方拋物線由130 cm漸變至32 cm。

(4) 箱梁腹板厚。墩身范圍內的0號梁段為110 cm，1～12號梁段為100 cm(見圖2)，13號梁段由100 cm漸變?yōu)?0 cm，14號～20號梁段為80 cm(見圖2)，邊跨合龍段由80漸變?yōu)?6 cm，現(xiàn)澆段由96漸變至120 cm，支撐處現(xiàn)澆段為120 cm，中跨合龍段為80 cm。

圖2　箱梁標準橫斷面(單位:cm)

1.2橋墩及基礎

主墩橋墩縱向由雙肢薄壁墩組成，薄壁墩為矩形空心截面，橫橋向9.5 m，順橋向3.0 m，2片墩間凈距為5 m，墩身上部端與箱梁0號梁段固接，下部端與承臺固接。過渡墩為單箱單室箱墩，縱橋向寬4.2 m，橫橋向寬9.5 m。主墩承臺采用20.5 m×15 m×6 m矩形承臺，過渡墩承臺采用11.4 m×13.8 m×4 m矩形承臺。主墩樁基均采用12根直徑為2.2 m鉆孔樁，過渡墩樁基單幅橋采用9根直徑為1.8 m樁基，所有樁基按嵌巖樁設計。

1.3箱梁預應力布置

(1) 縱向預應力鋼束。分為頂板束(T束)、腹板下彎束(W束)、中跨底板束(DZ束)、邊跨底板束(DB束)、合龍段頂板合龍束(邊跨LB束、中跨LZ束)及預留束(Y束、DBY束、DZY束)6類。縱向預應力采用公稱直徑15.20 mm的預應力鋼絞線。其中每個腹板頂板束(T束)42束、腹板下彎束(W束)18束，中跨底板束(DZ束)20束，邊跨底板束10束(DB束)，中跨合龍束(LZ束)2束，邊跨底板束(LB束)6束。

(2) 橫向預應力。采用公稱直徑15.20 mm的預應力鋼絞線，每束3股鋼絞線，設計張拉噸位531.2 kN，采用一端張拉方式。

(3) 豎向預應力。采用直徑32 mm的PSB930精軋螺紋粗鋼筋,精軋螺紋粗鋼筋張拉控制應力σcon=0.9fpk。

2　橋梁結構分析

2.1計算模型及計算結果圖

主橋縱向結構受力分析采用平面桿系，主梁離散為平面全預應力梁單元，計算程序采用橋梁博士V3.3.0，單元數(shù)為194，節(jié)點數(shù)為195，計算模型見圖3，各種永久荷載和可變荷載按《公路橋涵設計通用規(guī)范》[2]執(zhí)行，各種狀態(tài)下結構縱向計算見圖4～圖7。

圖3　計算模型

圖4　最大正彎矩及負彎矩承載能力極限狀態(tài)包絡圖

圖5　短期效應組合下的正截面上、下緣最小正應力

圖6　標準效應組合下的正截面上、下緣最大正應力

圖7　短期效應組合下的正截面上、下緣最大主拉應力

2.2主要計算結果

(1) 箱梁持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面抗裂、斜截面抗裂計算，作用短期效應組合時，墩頂附近箱梁上緣正截面最小壓應力為2.3 MPa，跨中下緣正截面最小壓應力2.1 MPa，箱梁斜截面混凝土最大主拉應力-1.0 MPa(未考慮豎向預應力影響)。

(2) 箱梁使用階段跨中撓度28.2 cm, 預加應力產(chǎn)生的長期向上撓度17.7 cm。

(3) 箱梁持久狀況預應力混凝土構件正截面壓應力及主壓應力為17.5 MPa、預應力鋼束的拉應力為1 202.8 MPa。

(4) 箱梁橫向框架計算，短期效應組合懸臂最大拉應力1.3 MPa，跨中最大拉應力1.0 MPa。

以上計算結果均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》[3]的要求。

3　結論

(1) 較寬的單箱單室預應力混凝土連續(xù)剛構梁高要比一般橋梁高，根部梁高按常規(guī)的(1/16～1/18)L[4]和跨中梁高按(1/50～1/60)L已不能滿足要求，根部梁高建議按(1/14～1/15)L考慮，跨中梁高按(1/40～1/50)L考慮。

(2) 由于上部結構較重，主拉應力的最大值位置不是出現(xiàn)在常規(guī)橋梁的L/4變腹板厚度位置附近，而是出現(xiàn)在根部1號梁段處，箱梁腹板為滿足抗剪和減小主拉應力，寬度建議按100～80 cm設置。

(3) 根據(jù)橫向計算，頂板的厚度按常規(guī)的28～30 cm不能滿足要求，應通過橫向計算確定頂板厚度值。

(4) 預應力的鋼束較一般橋梁用量較多，每方混凝土用量達到60～70 kg，結構尺寸擬定過程中應充分考慮預應力鋼束的布置空間，盡量使用常規(guī)規(guī)格的鋼束大小，根據(jù)受力特點布置合理的縱向鋼束。

(5) 跨中撓度值較大，跨徑較大的橋梁應設置后期使用的體外預應力構造措施。

(6) 根據(jù)本項目多座橋梁的多次試算和調整結果情況來看，橋梁寬度在17 m以內可以按單箱單室截面形式處理，大于17 m建議按單箱雙室或采用分幅橋的結構形式處理，特別是20 m寬度以上的連續(xù)剛構橋梁，設計和施工均應采取特殊的措施，以保證結構施工過程和使用過程中的安全。

[1]王鈞利,董旭.大型橋梁施工力學研究 [J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2010(5):949-952.

[2]JTG D60-2004公路橋涵設計通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3]JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[4]鮑衛(wèi)剛,周永濤.預應力混凝土梁式橋梁設計與施工[M].北京：人民交通出版社,2009.

收稿日期：2015-04-13

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.003