東牙溪大橋主橋設計

陳敬仲

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司廈門分公司，福建廈門 361012）

1 工程概述

東牙溪大橋位于福建省三明市富興堡街道上游的村頭村，為“國省干線橫六線三元區村頭至荊東公路段一期工程村頭至槐林段”中的分項工程，工程設計起點位于現狀省道306加油站南側的堆煤場處，與現狀省道306順接，沿麥克奧迪光學廠北邊的小山坡跨越東牙溪后，在富興變電站后山的南側山坡自北向南展線，終點與306省道改線配套工程平交，路線長度1.122 km。

橋梁起點接省道306，起點里程K0+037.4，終點里程為K0+735.1，全長697.7 m。橋梁孔跨布置為 3 ×30m+2×30m+3×40m+50 m+4×80 m+50 m，按4聯設置。主橋采用預應力混凝土變截面箱型連續剛構橋，引橋采用預應力混凝土等截面箱型連續梁橋。

2 橋型布置

主橋采用整體斷面，橋寬為21 m，主橋平面位于R=550 m的圓曲線上。

主橋主墩9#～13#橋墩采用雙薄壁墩，墩梁固結，墩臺基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。

主橋橋型布置見圖1，橫斷面布置見圖2。

圖1 主橋橋型布置圖（單位：cm）

圖2 主橋箱梁橫斷面布置圖（單位：cm）

3 主橋結構設計

3.1 箱梁結構尺寸

主梁采用變高度預應力混凝土箱梁，單箱雙室箱形截面，支點梁高5.0 m，跨中梁高2.4 m，梁高按1.6次拋物線變化，箱梁頂寬21 m，懸臂長4 m，箱底寬13 m，頂板厚0.28 m，底板厚0.26～0.6 m，一般段腹板厚0.5 m，中支點附近腹板厚0.7 m。主墩設雙中橫隔梁厚1.3 m，對應雙薄壁墩設置，端橫隔梁厚1.5 m，主跨跨中設橫隔板，橋面板橫向按橋面橫坡設置，梁底面平行于橋面設置，橫向梁高相等，支點處梁底設墊塊調平。箱梁橫斷面見圖3。

圖3 箱梁橫斷面圖（單位：cm）

3.2 箱梁預應力體系

主梁采用預應力混凝土結構，縱、橫、豎三向預應力體系，塑料波紋管成孔，真空灌漿工藝。縱向預應力采用19-φs15.24、17-φs15.24、12-φs15.24和9-φs15.24群錨體系；橫向預應力采用BM3-φs15.24扁錨體系，間距0.5 m；豎向預應力采用D25精扎螺紋鋼筋，間距0.5 m。

本橋主橋采用懸臂澆筑施工，主梁0＃節段在墩旁支架上澆注，1#～10#梁段采用掛籃懸臂澆注，0＃節段長11 m，合攏段長2.0 m，懸臂澆筑梁段長為3.0～4.0 m。施工掛籃及模板總重應控制在900 kN之內。預應力立面布置見圖4。

3.3 下部結構

9#～13#主墩墩身采用雙薄壁墩，墩厚為1.3 m，墩寬13 m，雙薄壁中心距3.8 m，墩身橫橋向按道路中線徑向布置，墩高約30～50 m，主墩與梁體固結；主墩10號、11號和12號墩因墩高較高，在墩中間區段設置一道橫系梁，以增加高墩的穩定性。主墩基礎采用12根φ1.8 m鉆孔灌注樁，承臺厚3.5 m。

4 結構計算與分析

4.1 縱向靜力計算模式及荷載

主橋采用Midas Civil進行空間計算，計算模型見圖5。本橋主橋共5處懸臂澆筑的T構段，考慮掛籃成本，使用3對掛籃先進行中間3個墩的T構梁段的施工，跨中合攏后，再進行次邊墩T構梁段的施工，再合攏次邊跨和邊跨。主橋模擬實際施工步驟到成橋運營進行計算，計算中考慮了樁與地基土的相互作用。計算荷載包括：自重、二期恒載、預應力的加載、混凝土不同齡期的收縮和徐變、施工荷載等影響。在成橋運營階段，考慮了汽車荷載、人群荷載、支點沉降、制動力、溫度力、風力等作用與影響。其中溫度計算考慮了體系升降溫，梁的溫度梯度。

除上述計算外，對高墩的自體穩定性、上部結構最大懸臂狀態的施工穩定性和全橋的穩定性進行分析。

另外，在下部結構計算中，對縱橫向風力及各種作用引起的墩截面的扭矩也進行了計算組合。

4.2 上部結構縱向靜力計算結果

由于篇幅限制，本文只列舉主要計算結果。

（1）施工階段驗算

施工階段標準組合混凝土正截面應力驗算結果：最大壓應力為12.37 MPa，小于規范規定的容許壓應力22.68 MPa，最大拉應力為-0.52 MPa，滿足規范受力要求。

（2）運營階段驗算

正常使用階段承載能力基本組合正截面強度安全系數最小值為：K=1.04，位于中跨跨中；斜截面抗剪強度安全系數最小值為：K=1.15，位于橋墩支點位置；截面抗扭承載力安全系數最小值為：K=1.03，位于梁端支點位置，滿足規范受力要求。

正常使用極限狀態短期效應組合正截面抗裂驗算結果：正截面應力除在梁端上緣局部位置出現拉應力外，其它位置均受壓，最小壓應力為0.37 MPa，位于中跨1/4跨附近下緣，滿足規范受力要求；斜截面抗裂驗算結果：斜截面主拉應力除在梁端局部位置出現超限的拉應力外，其它位置的最大拉應力為-0.86 MPa，位于橋墩支點附近，小于規范規定的容許拉應力-1.325 MPa，滿足規范受力要求。

正常使用極限狀態長期效應組合正截面抗裂驗算結果：正截面應力除在梁端上緣局部位置出現拉應力外，其它位置均受壓，最小壓應力為0.58 MPa，位于中跨1/4跨附近下緣，滿足規范受力要求。

圖4 鋼束立面布置圖（單位：cm）

圖5 有限元計算模型

正常使用持久狀況標準組合正截面壓應力驗算結果：正截面最大壓應力為15.2 MPa，小于規范規定的容許壓應力19.44 MPa，滿足規范受力要求；斜截面主壓應力驗算結果：斜截面最大主壓應力為15.2 MPa,小于規范規定的容許壓應力19.44 MPa，滿足規范受力要求。

正常使用極限狀態按荷載短期效應組合計算的長期撓度最大值57.8×1.425=82.4 mm，扣除結構的自重產生的長期撓度后，在次邊跨的跨中，產生最大的長期撓度值46.2mm，小于L/600=133mm，滿足規范受力要求。

4.3 預拱度的設置

大跨徑橋梁預拱度分為施工預拱度和成橋預拱度。設置施工預拱度主要是為消除施工過程中各種荷載對線形的影響并預留成橋預拱度。成橋預拱度主要是為了消除后期運營過程中的收縮徐變、后期預應力的損失、活載變形等而設置預拱度。預拱度理論計算公式如下：

式中：f1i——由結構自重、收縮、徐變、溫度、結構體系轉換、二期恒載等影響，對i點產生的撓度計算值；

f2i——由張拉預應力束對i點產生的撓度計算值；

f3i——本施工階段及以后澆筑各段的施工臨時荷載對i點產生的撓度計算值。

本橋采用Midas Civil程序模擬實際施工步驟到成橋運營進行計算，式中f1i、f2i、f3i及后期運營過程中的收縮徐變、后期預應力的損失、活載變形等均可由程序計算得到。結合程序，預拱度最終可按下面公式計算：

預拱度=程序最后一個施工階段累計結果（考慮混凝土三年的收縮徐變）+（-1/2可變荷載效應）+（-掛籃變形）

4.4 箱梁橫截面靜力分析計算

箱梁橫截面分析對象取跨中和墩頂截面。跨中截面取延縱橋向1 m寬，結構計算模型為腹板底部支承的框架；墩頂橫梁計算取端、中橫梁的相應受力寬度，支承位置按實際支座位置。計算中考慮了箱梁自重、橋面二期恒載、預應力、混凝土收縮徐變、汽車荷載、人群荷載、箱梁橋面板梯度溫度（或箱室內外溫差）等荷載。

5 結論

通過對東牙溪大橋主橋進行結構設計分析，橋梁各部分均滿足規范受力要求，結構安全可靠。高墩、大跨、橋寬是該橋的突出特點，也是設計的重點和難點。因連續剛構橋的變形小，結構剛度好，行車平順舒適，伸縮縫少，養護簡單，抗震能力強等優點，使得連續剛構橋幾乎是大跨徑預應力混凝土梁橋的優勝方案。本文就該橋的設計及計算分析作一些簡要敘述，希望為今后同類橋梁的設計提供參考。

[1] JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[2] JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3] 馬保林.高墩大跨連續剛構橋[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 雷俊卿.橋梁懸臂設計與施工[M].北京：人民交通出版社,2005.