王 鵬 （廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

1 工程背景

由于預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋具有行車(chē)舒適、施工方便、跨距較大、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，故在我國(guó)公路橋梁工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在連續(xù)剛構(gòu)橋方面進(jìn)行了較多研究。本文以梧州市西江三橋188m跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯勘尘埃\(yùn)用Midas Civil軟件建立橋梁有限元計(jì)算模型，進(jìn)行受力與變形分析，以期為同類(lèi)連續(xù)剛構(gòu)橋梁的跨徑布置設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

梧州市位于廣西東部，與粵港澳一水相連，毗鄰經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠江三角洲，背靠大西南廣大地區(qū)，是大西南與粵港澳聯(lián)系的重要通道。為滿足梧州市交通出行發(fā)展的需要，使西江兩岸規(guī)劃的城市道路和其他基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮更大的作用，也為了盡快發(fā)揮西江三橋作為該區(qū)域交通主通道的作用，梧州市政府提出抓緊進(jìn)行西江三橋的建設(shè)工作。

2 總體設(shè)計(jì)

西江三橋的建設(shè)是聯(lián)通梧州市南環(huán)快速干線和東環(huán)快速干線的重要工程之一。位于南環(huán)快速干線北側(cè)的長(zhǎng)洲壩址進(jìn)場(chǎng)道路正在籌建，蒼梧區(qū)東側(cè)、南側(cè)道路亦加緊規(guī)劃，洛湛鐵路上馬后，在石良角架設(shè)起公路鐵路兩用大橋與本項(xiàng)目將構(gòu)成順暢的南環(huán)快速干道，將西城、長(zhǎng)洲島、蒼梧城區(qū)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于東環(huán)快速干線，東環(huán)路、云龍大橋和梧信公路連接線已經(jīng)建成，站前快速干道和旺步至蒼梧區(qū)東緣的東環(huán)快速干線將把東環(huán)快速干線連接起來(lái)，將河?xùn)|、塘源、高旺、蒼梧、西城、河西、蓮花山等城區(qū)和工業(yè)區(qū)緊密地連接在一起，避免交通過(guò)分向城市中心集中，使部分市內(nèi)運(yùn)輸貨物繞開(kāi)市中心，減輕市區(qū)交通壓力和對(duì)居民生產(chǎn)、生活的干擾。

西江三橋工程線路由西北延伸至東南，起點(diǎn)始于站前快速路與西江三橋相交的喇叭形立交處的三龍片區(qū)，跨越西江汊河道至長(zhǎng)洲島區(qū)，再跨越西江主河道到達(dá)蒼梧區(qū)，終點(diǎn)位于207國(guó)道交叉處。

西江三橋工程跨越西江主航道，規(guī)劃為I級(jí)航道，通行船舶等級(jí)為3000t級(jí)。采用單孔單向通航的航道凈寬為168m，凈高為13m。由于橋梁位于水利樞紐下游，船舶通航密度大，橋區(qū)通航條件復(fù)雜，結(jié)合西江主航道河床寬度，設(shè)置三個(gè)通航孔，通航孔跨徑為188m。

針對(duì)上述橋梁跨徑，傳統(tǒng)的懸索橋適用的跨徑較大，本項(xiàng)目不適合；目前流行的自錨式懸索橋由于施工工序繁雜、造價(jià)高，100多米也不是其經(jīng)濟(jì)跨徑。因此，本項(xiàng)目橋梁方案設(shè)計(jì)除了懸索橋外可供選擇的橋型主要有連續(xù)剛構(gòu)橋、拱橋、斜拉橋、矮塔斜拉橋等。

由于本橋位于梧州機(jī)場(chǎng)航空限高范圍內(nèi)，橋面建筑物高度受到嚴(yán)格限制。所以，本橋不宜采用拱橋或斜拉橋。而連續(xù)剛構(gòu)橋沒(méi)有過(guò)高的橋上建筑，且具有外觀簡(jiǎn)潔、整體協(xié)調(diào)、技術(shù)成熟、施工方便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。因此，本橋采用主跨為188m的連續(xù)剛構(gòu)橋，邊跨跨徑為108m，邊中跨比為0.57。主橋跨徑組合為 108+3×188+108=780m，如圖 1所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

根據(jù)道路總體設(shè)計(jì)，橋梁橫斷面為雙向四車(chē)道，其總寬度為27.5m。橋梁采用分幅設(shè)計(jì)，單幅橋?qū)?3.25m，具體為 1.75m（人行道）+2.5m（非機(jī)動(dòng)車(chē)道）+8.5m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+0.5m（防撞欄），如圖2所示。

圖2 梁橫斷面圖（單位：cm）

3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[9-11]

道路等級(jí)：城市快速路；

設(shè)計(jì)車(chē)速：60km/h；

設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)荷載：城—A級(jí)；人群荷載：3.0kN/m；

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：100年；

橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；

環(huán)境類(lèi)別：Ⅰ類(lèi)；

地震烈度：抗震設(shè)防烈度為6度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g；

設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300；

通航標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級(jí)內(nèi)河航道，航道凈寬：3m×168m，凈高13.0m。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

西江三橋主橋（108+3×188+108）m連續(xù)剛構(gòu)橋單幅橋?qū)?3.25m，采用單箱單室箱形斷面，其中底寬7.0m，兩側(cè)翼緣板懸臂長(zhǎng)3.125 m。箱梁共劃分為24種梁段，其中0號(hào)梁段長(zhǎng)度為10m，1～22號(hào)梁段為懸臂現(xiàn)澆段，長(zhǎng)度為3.0m～5.0m，23號(hào)梁段為現(xiàn)澆合攏段，長(zhǎng)度為2.0m。箱梁根部梁高為11.0m，跨中及邊跨端部梁高為4.2m。箱梁梁高變化采用1.8次拋物線，變化范圍為懸澆段末端至墩身外側(cè)處。箱梁腹板厚度為50cm～90cm。箱梁頂板厚度為28cm～35cm，底板厚度為 32cm～110cm，底板厚度變化采用1.8次拋物線。箱梁頂板設(shè)置2%的橫坡，橫坡由腹板高度調(diào)整，底板保持水平。其根部箱梁橫斷面如圖3所示，跨中箱梁橫斷面如圖4所示。

圖3 根部箱梁橫斷面圖（單位：cm）

圖4 跨中箱梁橫斷面圖（單位：cm）

4.2 主梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱橋向頂板采用17、22股φ15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，腹板預(yù)應(yīng)力鋼束采用22股φ15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，底板采用17、19股φ15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線。鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk＝1860MPa，張拉控制應(yīng)力 σcon＝0.75fpk=1395MPa。頂板鋼束布置以平彎線型為主，錨固端附近采用局部豎彎；腹板鋼束布置在錨固端附近局部采用豎彎；底板鋼束采用平、豎彎結(jié)合布置。

頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用2股φ15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，鋼束間距為50cm，鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk＝1860MPa，張 拉 控 制 應(yīng) 力 σcon＝0.75fpk=1395MPa，均采用交錯(cuò)單端張拉。

豎向預(yù)應(yīng)力鋼束布置于腹板，采用二次張拉技術(shù)。采用3股φ15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk＝1860MPa，張 拉 控 制 應(yīng) 力 σcon＝0.65fpk=1209MPa，均采用單端張拉。根據(jù)腹板厚度，豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)置為一排單根或兩根。

4.3 主橋橋墩設(shè)計(jì)

主橋橋墩采用雙肢薄壁空心墩，單肢橋墩斷面采用單箱單室斷面，縱橋向?qū)?.0m，對(duì)應(yīng)壁厚為0.5m，橫橋向?qū)捙c上部箱梁底寬相同為7.0m，對(duì)應(yīng)壁厚為0.9m，其橫斷面如圖5所示。兩肢箱型橋墩之間的凈距為6.0m。

圖5 單肢橋墩橫斷面圖（單位：cm）

5 計(jì)算分析

5.1 計(jì)算模型

本橋結(jié)構(gòu)主梁按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合施工方案及其構(gòu)造特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，高樁承臺(tái)按等代基礎(chǔ)模擬。計(jì)算分析應(yīng)用了Midas/Civil軟件，全橋共劃分為481個(gè)單元和502個(gè)節(jié)點(diǎn),其中橋面單元333個(gè)。計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 全橋計(jì)算模型

5.2 施工階段劃分

根據(jù)施工總體安排，共劃分有28個(gè)施工階段。箱梁懸臂施工階段采用10d為一施工周期，其中張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)混凝土齡期為5d。具體施工段劃分：

階段1：完成樁、承臺(tái)及墩身及0號(hào)塊施工；

階段2：拆除托架，安裝掛籃；懸臂澆筑1#梁段，張拉1#梁段預(yù)應(yīng)力；同時(shí)安排邊墩施工，安放邊墩支座；

階段3～23：移動(dòng)掛籃；懸臂澆筑2#～22#梁段，張拉相應(yīng)梁段預(yù)應(yīng)力，支架澆筑邊跨現(xiàn)澆梁段；

階段24：移動(dòng)掛籃；調(diào)整邊跨及中跨合龍段標(biāo)高，安裝邊跨及中跨合龍段剛性連接，在合龍段兩端各加平衡重，澆筑邊跨及中跨合龍?zhí)?3#梁段,同時(shí)等重卸除平衡重；張拉邊跨及中跨合攏鋼束；

階段25：施加邊中跨頂推力1000t；

階段26：安裝邊中跨合龍段剛性連接鎖定,在合龍段兩端各加平衡重,澆筑邊中跨23#梁段,同時(shí)等重卸除平衡重；拆除施工吊架；按從長(zhǎng)束到短束順序張拉中跨底板預(yù)應(yīng)力；

階段27：澆筑防撞欄混凝土,完成橋面鋪裝等附屬工程,質(zhì)檢驗(yàn)收；

階段28：完成收縮徐變10年。

5.3 主要計(jì)算結(jié)果

5.3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

在最不利荷載組合下，主梁的正截面彎矩內(nèi)力包絡(luò)如圖7所示。

圖7 主梁正截面彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

根據(jù)計(jì)算，主梁墩頂負(fù)彎矩正截面抗彎承載能力值為-295378.6kN·m，跨中正彎矩正截面抗彎承載能力值為40780.5kN·m。因此，持久狀況主梁的抗彎承載能力極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求。

在最不利荷載組合下，主梁的正截面剪力包絡(luò)如圖8所示。

圖8 主梁正截面剪力包絡(luò)圖（單位：kN）

根據(jù)計(jì)算，主梁墩頂正截面抗剪承載能力值為7125.2kN。因此，持久狀況主梁的抗剪承載能力極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求。

5.3.2 正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算

正常使用極限狀態(tài)下作用短期效應(yīng)組合主梁正截面上緣應(yīng)力如圖9所示，下緣應(yīng)力如圖10所示。

圖9 主梁上緣正截面短期效應(yīng)組合應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖10 主梁下緣正截面短期效應(yīng)組合應(yīng)力圖（單位：MPa）

根據(jù)規(guī)范，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)的主梁在最不利荷載組合下，作用短期效應(yīng)組合正截面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。由上下緣應(yīng)力圖可以看出，各截面均沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

5.3.3 持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算

持久狀況和短暫狀況作用標(biāo)準(zhǔn)值組合下，主梁正截面法向上緣應(yīng)力如圖11所示，下緣應(yīng)力如圖12所示。

圖11 主梁上緣正截面標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖12 主梁下緣正截面標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力圖（單位：MPa）

根據(jù)規(guī)范，在最不利荷載組合下，使用階段作用標(biāo)準(zhǔn)值組合主梁正截面法向壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)0.5f。本橋主梁采用C60混凝土，主梁正截面受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力為18.9MPa，小于限值19.25 MPa，滿足規(guī)范要求。5.3.4活載撓度計(jì)算

在汽車(chē)活載作用下，主梁的撓度如圖13所示。

圖13 主梁汽車(chē)活載撓度圖（單位：mm）

根據(jù)計(jì)算，汽車(chē)活載最大撓度為40.9mm，未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的1/600L=313.3mm。說(shuō)明本橋的剛度足夠大，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

廣西梧州市西江三橋跨越西江黃金水道，航道等級(jí)高，周邊自然環(huán)境條件復(fù)雜，受限制因素多，主橋采用五跨一聯(lián)的雙薄壁墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨徑組合為（108+3×188+108）m，主橋全聯(lián)長(zhǎng)度達(dá)780m。無(wú)論從單跨跨徑，還是從橋梁總長(zhǎng)方面來(lái)看，在同類(lèi)型中都屬于較大規(guī)模橋梁。

本文主要介紹了該橋的總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并采用Midas/Civil軟件進(jìn)行有限元分析，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析整理。結(jié)果表明該橋承載能力、抗裂性能以及橋梁剛度等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。該橋的設(shè)計(jì)是合理且安全可靠的，可以為今后同類(lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。