大跨径预应力混凝土连续箱梁桥设计实践.pdf

总659期2023年第29期（10月 中）收稿日期：2023-04-10作者简介：朱启明（1991），男，工程师，从事工程设计工作。大跨径预应力混凝土连续箱梁桥设计实践朱启明（永昊建设集团有限公司，江西 南昌 330000）摘要：为避免大跨径预应力混凝土连续箱梁桥运营过程中出现墩顶横隔板开裂、腹板斜裂缝及悬臂板纵向裂缝增多、中跨跨中下挠、墩身局部裂缝等病害，以某跨河桥梁为例，通过桥型比选，采用三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥结构，并对连续箱梁结构展开设计，应用MIDAS/Civil有限元软件对连续箱梁桥受力稳定情况进行模拟。结果表明，科学合理的设计方案可以有效避免大跨径预应力混凝土连续箱梁桥运营中产生各类病害，切实有效的施工过程控制将推进该桥型在我国桥梁工程建设领域的更好应用。关键词：大跨径；预应力混凝土；连续箱梁桥；桥梁设计中图分类号：U442.5文献标识码：B0 引言连续箱梁桥刚度好，结构变形小，伸缩缝少，行车舒适，抗震性能好，维修养护简便，在40150 m跨度范围内具有较大优势。但是近年来，一些大跨径连续箱梁桥先后出现各种病害，如墩顶横隔板开裂、腹板斜裂缝及悬臂板纵向裂缝增多、中跨跨中下挠明显、墩身局部裂缝等。此类病害也反映出大跨径预应力混凝土连续箱梁桥在设计阶段可能存在跨径比、箱梁截面尺寸拟定不合理，结构设计抗剪力不足，预应力钢束附加力估计不足，缺乏对温度应力足够重视等问题。基于此，本文依托某跨河桥梁，对连续箱梁结构设计展开分析探讨，以期为该桥型施工质量提升提供参考。1 工程概况某跨河大桥所在河道是省级干线航道，被所在省交通厅批示为级航道，通航水位最高达9.369 m，通航净空655 m，同时还承担着区域泄洪功能；河道基本顺直，且与拟建桥梁呈73.2 交角。桥址位于流域河谷平原，地势平坦，地面高程在 4.7918.24 m，河塘密布，松软沉积相厚度大，局部分布夹杂层厚 2.109.21 m的软土。桥址区自上而下为填筑土、粉质黏土、淤泥质黏土、粉土、碎石土、强风化泥岩。主墩以胶结好、强度高、力学性能好的中风化泥质粉砂岩层为持力层。2 桥型比选该桥梁工程与所在河道水流主流向呈73.2 的斜交角度，按照航道及水利部门的要求，应当将净高4.5 m的防汛通道调整至堤外桥下，在堤顶预留出至少2.5 m的净高，以确保达到航道通行所要求的65 m净宽标准。出于通航、泄洪、施工质量控制、运行维护等方面的综合考虑，主跨跨径应确定为85 m。桥面高程主要根据两侧堤顶规划情况和最高通航水位确定。基于此，提出两种可行的桥型方案。2.1 下承式钢管混凝土系杆拱桥该桥型为减小水中布墩、降低阻水面积及对水流流态的影响，两侧大堤的内引桥全部采用下承式钢管混凝土系杆拱桥，为节省造价，横跨大堤引桥则采用装配式混凝土连续箱梁结构。据此，全桥桥跨应按照1225 m+53 m+88 m+53 m+1125 m布置，桥长775.4 m；主桥主跨拱轴线采用二次抛物线设计，主跨横向布设4片拱肋；矢高17 m，矢跨比1/5；拱肋为哑铃型钢管混凝土结构，钢管壁厚 1.2 cm，外径 90 cm，全部采用Q345钢，内部充填C40微膨胀混凝土材料；吊杆则按照5.0 m的纵向间距设置；以标准强度1 860 MPa的85丝f7 mm平行高强钢丝为吊索；横梁及系梁全部采用预应力混凝土结构。主桥边跨拱轴线采用二次抛物线设计，边跨横向布设 4 片拱肋；矢高 10 m，矢跨比 1/5；拱肋采用哑铃型钢管混凝土结构，钢管壁厚 1.2 cm，外径 70 cm，168交通世界TRANSPOWORLD全部为 Q345 钢材质，内部充填 C40 微膨胀混凝土材料；吊杆按 5.0 m的纵向间距设置；以标准强度 1 670MPa的85丝f7 mm平行高强钢丝为吊索。该方案施工时，主桥上部系杆现浇，拱肋风撑及引桥上部全部预制安装。按照该方案建成的系杆拱桥建筑高度低、总桥长相对较短，造价相对低廉，外形美观。但施工过程复杂，主桥施工对河道正常泄洪及通航影响较大，吊杆及钢管拱肋运行期间养护维修工程量大，费用高。2.2 三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥为减少水中基础，降低施工难度，控制造价，在岸上设置过渡墩，并加长主桥边孔长度，使其顺利跨越大堤迎水面、背水面及堤顶，引桥则采用25 m装配式预应力混凝土连续箱梁结构。为尽可能降低阻水面积及紊流的不利影响，采用圆柱式桥墩，主跨则错墩布设。按照以上思路，全桥左幅桥跨采用 1325 m+（48+85+52）m+1325 m形式，右幅桥跨采用1325 m+（52+85+48）m+1325 m形式，桥长841.4 m。该桥型下，单幅主桥箱梁为三向预应力单向单室截面，顶、底宽度为12.9 m和6.5 m，支点及跨中梁高为5.0 m、2.3 m。下部双柱式主墩直径为2.0 m，承台设计厚度为 2.8 m，并设置 6 根f1.6 m 钻孔灌注桩基础，双柱式过渡墩直径为2.0 m，承台厚度为2.4 m，设置4根f1.6 m钻孔灌注桩基础。通过对施工难度、通航及泄洪的影响程度、运维费用等进行综合比较，最终采用三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥设计方案。3 连续箱梁结构设计3.1 总体布置结合桥墩高度设计思路，须通过计算确定具体采用连续刚构还是连续梁结构。既有文献多采取刚构体系，但对于桥墩矮、墩高相差大、多跨桥梁，可以选用连续-刚构组合体系或连续体系。跨河桥梁应按基数孔布置，主孔布置于河道主槽，河道内桥跨及墩柱布设时须经河道管理部门同意。下部边墩结构形式需根据地质条件、路基高度、路基形式等综合确定，对于边坡形式路基，应采取埋置式桥台；对于地基承载力符合要求且无管线干扰的区域，可采取扩大基础，超静定结构须考虑不均匀沉降1。该桥梁与路线正交，桥梁平面位于左偏圆曲线上，因圆曲线半径大，上部箱梁按标准长度直线梁预制安装，并通过中横梁现浇调整内外直曲差。3.2 尺寸拟定在综合考虑结构受力、施工技术水平、预应力钢束布置等基础上，按照以下思路确定主梁结构尺寸：1）主桥采用单箱单室箱型截面，根部及跨中梁高4.5 m和2.0 m，高跨比为1/17.8和1/40.0；2）从距离墩中心1.75 m处开始至跨中合龙段的箱梁高度呈二次抛物线变化；3）在墩顶0#块设置1个350 cm厚的横隔板，在边跨端部设置1个150 cm厚的横隔板；4）0#块两侧与墩中心的距离在1.753.75 m，箱梁顶、底板厚度分别在0.280.70 m和0.701.50 m。主桥连续箱梁通过挂篮悬臂浇筑法施工，将各箱梁0#块和1#块之外的节段分成10段，0#块和1#块总长10.0 m，边跨和中跨合龙段长 2.0 m，边跨现浇段长4.0 m。3.3 预应力体系纵向预应力体系采用标准强度1 860 MPa的s15.2高强度低松弛预应力钢绞线，预应力锚具腹板束和顶板束分别采用s15.2-19钢绞线和s15.2-15、s15.2-22钢绞线；中跨底板合龙束、中跨顶板合龙束采用s15.2-19和s15.2-15预应力钢绞线；边跨及底板合龙束全部为s15.2-19预应力钢绞线。按照单根钢束强度标准值的0.75倍确定钢束控制张拉应力，采用塑料波纹管预应力管道。横向预应力体系采用标准强度1 860 MPa的s15.2-4高强度低松弛预应力钢绞线，并以束矩50 cm的扁锚为预应力锚具。腹板处将f32 mm的精轧螺纹钢按100 cm布置竖向预应力，并加强横纵向预应力系统避让设计，每根精轧螺纹钢设计张拉力为567 kN。4 结构稳定性验算4.1 模型构建应用MIDAS/Civil有限元软件展开该大跨径预应力混凝土连续箱梁桥受力稳定性模拟2。主梁通过梁单元模拟，全桥共划分成63个节点及60个单元。按照悬臂浇筑施工次序，将施工阶段分成托架浇筑 0#和 1#块、其余节段挂篮悬臂浇筑施工、边跨和中跨合龙、施作桥面系等。根据规范施工阶段按照设计工况和施工步骤展开分析，验算梁体应力、内力状态；并考虑恒载、活载、基础沉降、预应力、温度效应、收缩徐变等效应。在模拟分析时，按照公路-级确定设计荷载；连续箱梁结构整体温度在-2040 升降；主墩及过渡墩支座不均匀沉降分别为2.0 cm和1.0 cm；孔道偏差系数取 0.001 5，孔道摩擦因数取 0.17；支座摩阻系数取0.03，预应力钢束松弛系数取0.3；包含模板、施工机具等在内的挂篮重量不超出550 kN。169总659期2023年第29期（10月 中）4.2 验算结果4.2.1 正截面抗弯强度按照 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 33622018）展开梁桥构件极限状态承载力验算，且包含结构重要性系数的作用效应不得超出构件设计承载力3。该预应力混凝土连续箱梁桥主梁正截面抗弯强度验算结果见表1。根据表中结果，结构抗力明显比作用效应大，在符合规范要求的基础上具备一定的安全储备。表1 主梁正截面抗弯强度验算结果位置边跨跨中中跨跨中支点跨中弯矩/（kNm）65 432143 216-309 938弯矩组合设计值/（kNm）84 514162 925-540 4494.2.2 正截面及斜截面抗裂性按照全预应力混凝土构件设计思路，构件正截面在任何受力情况下均不得出现拉应力。按照设计规范对构件正截面抗裂性能展开验算，其在短期荷载效应作用下必须满足st 0.80pc要求4，其中st为短期荷载效应作用下构件混凝土法向拉应力；pc为不考虑全部预应力损失的预加力对构件混凝土施加的预压应力。根据计算，边跨跨中、中跨跨中、中支点处最小压应力分别为0.5 MPa、0.7 MPa、0.7 MPa，符合规范要求。依据设计规范展开大跨径预应力混凝土连续箱梁桥斜截面抗裂性验算，其在短期荷载效应作用下必须满足tp 0.4ftk要求，其中，tp为短期荷载效应和预加力作用下构件混凝土主拉应力，ftk为混凝土标准抗拉强度。通过计算得知，中支点处出现0.8 MPa的最大主拉应力，比0.4ftk=1.096 MPa小，满足规范要求。4.2.3 应力和变形控制若在设计阶段对混凝土收缩徐变长期影响估计不足，对温度荷载考虑不周，预应力施工期间对混凝土弹性模量和强度控制不到位，将引起跨中下挠。该桥梁应力应变分析时充分考虑混凝土徐变及温度的影响，并进行多种温度模式的计算。混凝土收缩徐变影响的计算时间自合龙后至少为10年，并在混凝土收缩徐变影响中考虑了成桥预拱度影响，将预拱度值控制在恒载作用引发的竖向挠度、1/2活载产生的竖向挠度和附加挠度和以上。预应力张拉施工期间实施弹性模量和强度双指标控制。按照全预应力混凝土结构展开该大跨径预应力混凝土连续箱梁桥设计，正截面最大压应力未超出规范值的0.8倍，最小压应力储备不小于1.0 MPa；箱梁腹板最大主拉应力和主压应力不大于规范值的0.8倍，应力和变形满足要求。5 结束语综上，大跨径预应力混凝土连续箱梁桥与下承式钢管混凝土系杆拱桥相比，在施工过程、施工工艺、经济性等方面均具有明显优势；预应力混凝土连续箱梁桥整体稳定性好，结构刚度大，施工期间对河道正常通航影响小，后期养护工程量少，施工工艺成熟，在40150 m跨径范围内具有一定的竞争优势。该跨河桥梁于2020年1月竣工通车，经过2个自然年的运营，2023年1月进行的桥梁运行状况全面检查结果显示桥梁状态稳定，无明显病害。参考文献：1 刘学谦，陈玉龙，潘诚.大跨径预应力混凝土连续梁桥设计浅析J.智能城市，2019，5（7）：22-23.2 郭明华，侯海涛，刘奎太，等.大跨径预应力混凝土连续箱梁桥合理应力状态设计参数分析J.青岛理工大学学报，2019，40（2）：31-37，87.3 裴强，郝海峰，苏春华.大跨径预应力混凝土连续梁桥设计研究J.山东交通科技，2018（5）：27-29.4 曹爱虎.连续梁桥设计与结构计算分析J.安徽建筑，2019，26（9）：161-162.170