楊峰

（廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東 廣州 510220）

變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計

楊峰

（廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東 廣州 510220）

以廣州市南沙區(qū)某（60+100+60）m連續(xù)剛構(gòu)橋為研究背景，以變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛枸橋梁為研究對象，介紹了該橋在常規(guī)荷載作用下的靜力計算結(jié)果。有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人士參考。

變截面；連續(xù)剛構(gòu)橋；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)計算；應(yīng)力分析

0 引言

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋因具有造型簡潔美觀，結(jié)構(gòu)剛度大，行車平順性好，施工周期短、建設(shè)成本和管養(yǎng)成本低等特點(diǎn)[1]，本文通過廣州市南沙區(qū)某橋梁工程的實(shí)踐對變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)鋼構(gòu)橋梁進(jìn)行總結(jié)及分析，以起到拋磚引玉的作用。

1 工程概況

橋梁主橋采用60 m+100 m+60 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，邊中跨比0.6，分離式斷面，單幅橋?qū)?1.5 m，全斷面組成為：0.25 m欄桿+2.5 m人行道+0.25 m護(hù)欄+8 m機(jī)動車道+0.5 m防撞墻+2 m（鏤空帶）+0.5 m（防撞欄）+8 m機(jī)動車道+0.25 m護(hù)欄+2.5 m人行道+0.25 m欄桿（見圖1）。

連續(xù)剛構(gòu)主梁采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，主墩處梁高5.8 m，高跨比 1/17.2，跨中及邊支點(diǎn)梁高 2.8 m，高跨比1/35.7，梁高采用2次冪的拋物線漸變，變化方程y＝2.8+0.001316x2。

箱梁頂板寬11.5 m，翼緣懸臂長度3 m，端部厚18 cm,根部厚80 m；箱室上方頂板厚28 cm，根部厚80 m。箱梁底寬5.5 m，底板厚由跨中的28 cm變化到主墩墩頂處的100 cm，亦采用2次冪的拋物線漸變。箱梁腹板采用直腹板，腹板厚度由跨中50 cm漸變至1/4跨處的65 cm。。

箱梁縱向分為懸澆段、合龍段、邊跨現(xiàn)澆段。其中，懸澆段包括墩頂0#塊和兩側(cè)各13個懸澆節(jié)段，單邊最大懸臂長度47.5 m；懸澆節(jié)段長度根據(jù)梁高不同分為3.0 m、3.5 m和4m三種，以控制節(jié)段重量變化幅度。中跨和邊跨合龍段梁高2.8 m，節(jié)段長2 m。邊跨現(xiàn)澆段梁高2.8 m，長8.8 m。

箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力，均采用φs15.2高強(qiáng)度低松馳鋼絞線，隨懸臂施工分批張拉錨固。其中，豎向預(yù)應(yīng)力鋼束采用二次張拉工藝，提高豎向有效應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力管道均采用塑料波紋管及真空壓漿工藝灌漿。

2 主梁計算分析

2.1 計算模擬

結(jié)構(gòu)計算采用Midas Civil 2010建立全橋空間模型。模型按橋梁實(shí)際平曲線及實(shí)際橋墩高度模擬，采用m法模擬土彈簧，樁土合算，墩底與樁頂設(shè)置剛性連接。結(jié)構(gòu)計算模型如圖2所示。

2.2 設(shè)計荷載

2.2.1 恒載

（1）一期恒載：一期恒載包括上部結(jié)構(gòu)自重；

（2）二期恒載：二期恒載為橋面防撞墻、橋面鋪裝、人行道結(jié)構(gòu)等，作為外荷載施加在結(jié)構(gòu)上，二期橋面恒載合計：60 kN/m；

（3）懸臂施工節(jié)段混凝土濕重：混凝土濕密度按26 kN/m3考慮；

（4）掛籃重：按500 kN以集中力方式考慮。

2.2.2 活載

（1）城—A級，按兩車道計算；（2）汽車制動力及沖擊力：按(JTG D60-2015)[2]取用；（3）人群荷載：按 (CJJ 11-2011)[3]取用；（4）風(fēng)荷載：按（JTG D60-2015）[2]取用。

圖1 橋型立面圖

圖2 結(jié)構(gòu)計算模型

2.2.3 溫度效應(yīng)

（1）整體升溫：20℃；（2）體系降溫：-20℃；（3）溫差：按（JTG D60-2015）[2]規(guī)定取值。

2.2.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋特性

預(yù)應(yīng)力剛絞線采用φs15.2鋼絞線，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力σcon=1 302～1 395 MPa，彈性模量 Ep=195 000 MPa，μ=0.2，κ=0.001 5，ΔL=0.006 m。

2.2.5 混凝土收縮、徐變

收縮徐變采用（JTG D62-2014）[4]附錄F計算法，時長為3 650 d(約10 a)。

2.2.6 支座沉降

考慮橋墩沉降1 cm的影響力。

2.2.7 荷載組合

（1）作用標(biāo)準(zhǔn)值組合：

即進(jìn)行構(gòu)件的持久狀況應(yīng)力計算時作用(或荷載)取其標(biāo)準(zhǔn)值,汽車荷載應(yīng)考慮沖擊系數(shù)；進(jìn)行短暫狀況應(yīng)力計算時施工荷載除有特別規(guī)定外均采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮組合系數(shù)。

（2）作用短期效應(yīng)組合：

即永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用頻遇值效應(yīng)相組合，見《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)4.1.5。

（3）作用基本組合(承載能力組合)：

即永久作用的設(shè)計值效應(yīng)與可變作用設(shè)計值效應(yīng)相組合，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)及各作用效應(yīng)的分項系數(shù)。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

2.3 主要計算成果摘要

2.3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算

正截面抗彎/斜截面抗剪承載能力極限狀況計算(作用基本組合)：

主梁的承載力和內(nèi)力包絡(luò)圖（見圖3、圖4）。

圖3 正截面抗彎包絡(luò)圖（單位:MPa）

圖4 斜截面抗剪包絡(luò)圖（單位:MPa）

圖3、圖4顯示，主梁主要控制截面斜截面抗剪驗算滿足(JTG D62 2004)要求。

2.3.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算

（1）成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況（見圖5、圖6）。

圖5 成橋階段上緣應(yīng)力圖（單位:MPa）

圖6 成橋階段下緣應(yīng)力圖（單位:MPa）

（2）正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)抗裂驗算(作用短期效應(yīng)組合)：

a.正截面抗裂（計算結(jié)果見圖7、圖8）。

圖7 截面上緣正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位:MPa）

圖8 截面下緣正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位:MPa）

由圖7、圖8可以看出在短期效應(yīng)荷載最不利荷載組合作用下，主梁截面上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足《公路鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)第6.3.1條關(guān)于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的要求。即正截面混凝土在短期效應(yīng)組合下的拉應(yīng)力均滿足:σst-0.8σpc≤0。

b.斜截面抗裂（計算結(jié)果見圖9）。

圖9 短期效應(yīng)組合下主拉應(yīng)力包絡(luò)圖（單位:MPa）

由圖9可知，計入豎向預(yù)應(yīng)力，效應(yīng)按0.6倍折減后，主拉應(yīng)力為0.5 MPa，小于0.4xftk=1.096 MPa。

注：在該項計算中，汽車荷載不計沖擊系數(shù)；預(yù)應(yīng)力作為荷載考慮，荷載分項系數(shù)取為1.0；并計入由預(yù)應(yīng)力、溫度作用等引起的次效應(yīng)。

2.3.3 持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計算

（1）持久狀況（使用階段作用標(biāo)準(zhǔn)值組合）：a.混凝土正截面法向壓應(yīng)力（見圖10、圖11）。

圖10 截面上緣壓應(yīng)力包絡(luò)圖（單位:MPa）

圖11 截面下緣壓應(yīng)力包絡(luò)圖（單位:MPa）

正截面受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力為12.2 MPa＜0.5 fck=17.75 MPa，主梁最大正應(yīng)力滿足《公路鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)公式7.1.5-1的規(guī)定。

b.混凝土斜截面主應(yīng)力（見圖12）。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)組合下混凝土主壓應(yīng)力包絡(luò)圖（單位:MPa）

根據(jù)圖12所示，斜截面混凝土的主壓應(yīng)力= 12.2 MPa，規(guī)范限值為0.6 fck=21.3 MPa，滿足規(guī)范要求。

（2）短暫狀況(施工階段自重、施工荷載等標(biāo)準(zhǔn)值組合)：

a.最大雙懸臂狀態(tài)應(yīng)力（見圖13、圖14）。

圖13 截面上緣正應(yīng)力圖（單位:MPa）

圖14 截面下緣正應(yīng)力圖（單位:MPa）

最大壓應(yīng)力=10.6 MPa，規(guī)范限值為0.7 f'ck= 19.88 MPa，滿足規(guī)范要求。

b.邊跨合攏后的應(yīng)力（見圖15、圖16）。

圖15 截面上緣正應(yīng)力圖（單位:MPa）

圖16 截面下緣正應(yīng)力圖（單位:MPa）

最大壓應(yīng)力=11.2 MPa，規(guī)范限值為0.7 f'ck= 19.88 MPa，滿足規(guī)范要求。

主梁出現(xiàn)拉應(yīng)力 0.19 MPa＜0.7×0.8×ftk= 1.484（MPa），按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ D62-2004）第7.2.8條關(guān)于施工階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最大法向拉應(yīng)力的要求,預(yù)拉區(qū)應(yīng)配置其配筋率不小于0.2%的縱向鋼筋。

2.3.4 位移撓度計算結(jié)果（見表1）

表1 跨中撓度對比表

從表1可以看出，主梁長期撓度值滿足《橋規(guī)》（JTG D62-2004）規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

本文介紹了一座60 m+100 m+60 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過合理的選擇結(jié)構(gòu)體系和斷面形式，結(jié)構(gòu)受力明確，構(gòu)造簡潔合理。經(jīng)過對全橋的靜力分析，表明橋梁在各施工及運(yùn)營階段受力均能滿足相應(yīng)規(guī)范要求。為國內(nèi)外類似工程的設(shè)計與施工提供了有益的經(jīng)驗。

[1]張麗儀.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].廣州建筑, 2010，(2).

[2]JTG D60－2015，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[3]CJJ 11－2011，城市橋梁設(shè)計規(guī)范[S].

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

U448.23

B

1009-7716（2017）03-0108-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.030

2017-01-04

楊峰（1984-），男，湖南吉首人，工程師，從事道路橋梁工程設(shè)計工作。