劉學謙 陳玉龍 潘 誠

（1．中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；2．武漢理工大學，湖北 武漢 430010）

隨著懸臂、頂推等施工工藝的應(yīng)用成熟，及預應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展完善，在大跨度橋梁建設(shè)中，預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的應(yīng)用越來越廣泛。該類橋梁具有結(jié)構(gòu)剛度大、整體性能好、結(jié)構(gòu)受力合理、行車舒適度高、造型簡潔美觀等優(yōu)點。但受眾多因素的影響，近年來已建成的該類橋梁中出現(xiàn)了大量病害，對橋梁的結(jié)構(gòu)安全和耐久性產(chǎn)生嚴重影響。因此，應(yīng)保證設(shè)計工作的合理性及科學性，最大限度地提高橋梁工程質(zhì)量，延長橋梁使用壽命。本文將結(jié)合具體工程實例，闡述大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計及計算分析的要點。

1 工程概況

港窯路跨三峽高速高架橋[1]是宜昌市港窯路（夷陵長江大橋-峽州大道）市政工程項目中一座重要橋梁。橋梁全長580.4 m，橋?qū)?5.9 m，共5聯(lián)。其中第1聯(lián)上跨三峽高速公路，上部結(jié)構(gòu)跨徑組合為（48+80+48）m，采用預應(yīng)力混凝土變截面箱梁。第1聯(lián)橋型立面布置如圖1所示。

圖1 橋型立面布置圖/cm

2 主要設(shè)計標準

（1）道路等級：快速路；設(shè)計時速60 km/h。

（2）設(shè)計荷載：城市－A級。

（3）抗震標準：地震動峰值加速度0.05g，基本烈度6度，按7度設(shè)防；橋梁抗震設(shè)防類別乙類。

（4）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期：100年；橋梁使用年限100年；安全等級：一級。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 縱截面參數(shù)確定

為了能夠較好地擬合連續(xù)梁的內(nèi)力分布規(guī)律，大跨徑預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁宜采用變截面。其邊跨與中跨長度比例一般控制在0.5～0.8范圍內(nèi)，支點處梁高宜?。?/16～1/25）L，跨中處梁高宜?。?/30～1/50）L，梁底曲線可采用1.5～2次拋物線。故第1聯(lián)上部結(jié)構(gòu)跨徑組合采用（48+80+48）m，邊中跨比取0.6，支點梁高5 m，中跨梁高取2.2 m，梁底按2次拋物線變化。

3.2 橫截面參數(shù)確定

箱型截面的頂?shù)装迨菢蛄航Y(jié)構(gòu)承受正負彎矩的主要部位，頂板厚度的確定既要考慮橋面板橫向彎矩又要考慮預應(yīng)力鋼束的布置要求，一般不小于25 cm[2]；隨負彎矩的增加，箱梁底板厚度至墩頂處逐漸增加，其厚度變化曲線一般為梁高的同類曲線。箱梁結(jié)構(gòu)彎曲、扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的主拉應(yīng)力主要由箱梁腹板來承受[3]。箱梁腹板厚度需根據(jù)其受力需求和構(gòu)造要求應(yīng)有所變化，一般箱梁根部腹板厚度較大，且變化段縱向長度應(yīng)大于12倍的腹板寬度差值。

結(jié)合工程實際情況，同時考慮箱梁結(jié)構(gòu)的承載力及剛度要求，主橋箱梁橫截面采用單箱四室斜腹板截面形式。箱室頂板厚度為28 cm，支點處底板厚150 cm，跨中底板厚25 cm。邊支點段腹板厚度由65 cm漸變至50 cm，中支點段腹板厚度由90 cm漸變至70 cm，中間段腹板厚度由70 cm漸變至50 cm。橫斷面布置圖如圖2所示。

圖2 橫梁斷面布置圖/cm

3.3 預應(yīng)力鋼束布置

橋梁結(jié)構(gòu)按A類預應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，采用縱、豎雙向預應(yīng)力體系?？v向預應(yīng)力采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的φS 15.2 mm高強度低松弛鋼絞線，分頂板束、腹板彎起束及邊、中跨合龍束四類，采用15-12、15-15、15-19三種類型的鋼絞線；錨具采用群錨體系。豎向預應(yīng)力束采用JL25的精軋螺紋鋼筋，YGM錨具，縱向標準間距為50 cm。預應(yīng)力鋼束布置見圖3。

圖3 預應(yīng)力鋼束布置圖

4 橋梁結(jié)構(gòu)計算分析

4.1 模型概況

采用有限元計算軟件midas civil2012，建立梁單元模型，全橋上部結(jié)構(gòu)共劃分為195個單元，186個節(jié)點。主要考慮恒載、活載、預應(yīng)力、收縮徐變、基礎(chǔ)沉降、溫度效應(yīng)等荷載作用。上部結(jié)構(gòu)采用懸澆施工方法，根據(jù)施工步驟建立多個施工工況，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及應(yīng)力狀態(tài)逐階段進行分析，結(jié)構(gòu)計算模型如圖見4。

圖4 上部結(jié)構(gòu)計算模型

4.2 計算結(jié)果分析

4.2.1 正截面抗彎承載力驗算

由《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[4]，第5.1.2條可知，橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)的計算需滿足γ0S≤R，再根據(jù)規(guī)范5.2.2-5.2.6條，具體驗算結(jié)果見表1。

表1 正截面抗彎承載力驗算表/(kN·m)

由表1驗算結(jié)果可知，截面的內(nèi)力均小于截面的抗力，滿足規(guī)范要求，且具有一定的安全儲備。

4.2.2 正截面抗裂驗算

橋梁結(jié)構(gòu)按A類預應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，根據(jù)規(guī)范[4]第6.3.1條對其正截面拉應(yīng)力進行驗算。正截面混凝土拉應(yīng)力應(yīng)滿足如下規(guī)定：在作用（或荷載）的短期效應(yīng)組合下σst-σpc≤0.7ftk；在作用（或荷載）的長期效應(yīng)組下σlt-σpc≤0。具體驗算結(jié)果見表2、表3。

表2 短期效應(yīng)組合正截面抗裂驗算表/MPa

表3 長期效應(yīng)組合正截面抗裂驗算表/MPa

由表2、表3可知，在短期效應(yīng)組合作用下，結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力均小于規(guī)范容許值；在長期效應(yīng)組合作用下，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，驗算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.2.3 斜截面抗裂驗算

根據(jù)規(guī)范[4]第6.3.1-8條，應(yīng)對預應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件斜截面主拉應(yīng)力進行驗算。且滿足如下規(guī)定：現(xiàn)場澆筑的A類預應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用（或荷載）的短期效應(yīng)的組下σtp≤0.5ftk。

分析計算結(jié)果可知，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在中支點截面，為-1.013 MPa，小于容許值-1.325 MPa，滿足規(guī)范要求。4.2.4 施工階段應(yīng)力驗算

根據(jù)規(guī)范[4]第7.2.8條，在施工階段荷載作用下，混凝土受彎構(gòu)件截面邊緣的法向應(yīng)力應(yīng)滿足：壓應(yīng)力σCC≤0.7fck'；拉應(yīng)力σct≤0.7ftk'。驗算結(jié)果見表4。

表4 施工階段應(yīng)力驗算表/MPa

由表4可知，施工階段法向壓應(yīng)力與法向拉應(yīng)力均小于規(guī)范容許值，滿足規(guī)范要求。

4.2.5 正截面壓應(yīng)力驗算

根據(jù)規(guī)范[4]第7.1.5條的規(guī)定，應(yīng)對預應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面壓應(yīng)力進行驗算，且符合下式規(guī)定：σkc-σpt≤0.5fck，驗算結(jié)果見表5。

表5 正截面壓應(yīng)力驗算表/MPa

由表5可知，正截面壓應(yīng)力小于規(guī)范容許值，滿足規(guī)范要求。

4.2.6 斜截面壓應(yīng)力驗算

根據(jù)規(guī)范[4]第7.1.6條的規(guī)定，應(yīng)對預應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件在作用標準值和預加力作用下產(chǎn)生的混凝土主壓應(yīng)力進行驗算，且符合下式規(guī)定：σcp≤0.6fck。

分析計算結(jié)果可知，斜截面最大主壓應(yīng)力13.525 MPa，小于容許值19.44 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.7 主梁撓度驗算

根據(jù)程序計算可知，正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)由汽車荷載引起的豎向變形最大為-15.2 mm。按規(guī)范[4]6.5.3 條規(guī)定，當采用C40～C80 混凝土時，撓度長期增長系數(shù)ηθ＝1.45～1.35，C50 混凝土按直線內(nèi)插得ηθ＝1.4。

由計算可知，消除構(gòu)件自重的長期撓度的跨中最大值為：fmax=1.425×15.2 mm=21.7 mm，小于計算跨徑80 m×1/600＝133 mm，撓度驗算滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文結(jié)合港窯路跨三峽高速高架橋工程實例，從縱橋向和橫橋向尺寸擬定及預應(yīng)力鋼束布置等方面闡述了預應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋設(shè)計過程中的一些要點，并采用有限元分析軟件midas civil2012進行了計算分析，結(jié)構(gòu)尺寸合理，受力安全可靠，滿足規(guī)范要求。