多跨長聯(lián)空腹式連續(xù)梁橋結構設計

武電坤 楊 興 楊應春

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

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多跨長聯(lián)空腹式連續(xù)梁橋結構設計

武電坤 楊 興 楊應春

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

結合馬尾大橋工程實例，利用梁—拱組合受力機制，介紹了主梁、空腹段及橋墩構造等設計要點，并通過Midas/Civil，ANSYS等軟件，對橋梁的靜力特性與抗震能力進行了分析，充分證明結構設計的合理，為同類型橋梁的設計積累了經(jīng)驗。

連續(xù)梁橋，結構設計，抗震分析，空腹段

1 概述

多跨連續(xù)梁橋以“剛度大、變形小、行車舒適、養(yǎng)護簡單、伸縮縫少、經(jīng)濟性好”的特點成為一種競爭力較強的橋型。近年因大變形量伸縮裝置和大位移支座的研發(fā)應用，且梁橋計算水平的提高，多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋得到廣泛應用，以錢塘江二橋聯(lián)長達1 340 m為首的千米級別連續(xù)梁已建成多座。

馬尾大橋是福州市南臺島向寧德、浙江方向輻射的重要通道，跨江段全長1 684 m，由主橋和副橋組成。橋位所在場地地貌屬溺谷相海積平原，閩江河道沖積區(qū)。其副橋擬采用多跨連續(xù)箱梁橋方案。

2 技術標準

1)道路等級：八車道城市快速路；2)設計行車速度：80 km/h；3)車輛荷載等級：城市—A級；4)橋寬：標準寬度42.5 m，接互通部分變寬；5)地震：基本烈度7度，基本動峰值加速度0.10g。

3 橋型設計

受通航的影響，主橋采用了240 m跨空腹式鋼—混混合梁連續(xù)梁橋，考慮與主橋的呼應，馬尾區(qū)歷史悠久，設計借鑒體現(xiàn)當?shù)厝宋木竦牡鼐胺枴胺饣饓Α保瑢Ω睒蜻B續(xù)箱梁支承根部高度提高，并將對應箱梁腹板進行挖空，減輕自重，使根部區(qū)域形成比較合理的梁—拱組合受力機制[1]。且箱梁底部接近圓弧的拱形弧線倒影在水中隨波躍動，造型新穎，線形簡潔流暢，更充分體現(xiàn)出現(xiàn)代橋梁美學觀。

為使主副橋橋跨比協(xié)調(diào)，副橋采用83 m跨徑，橋跨布置為：71 m+9×83 m+71 m，全長889 m，如圖1所示。

4 結構設計要點

4.1 上部構造

副橋由邊跨和第1～9中跨組成，上部結構采用預應力混凝土變截面連續(xù)梁，為單箱雙室直腹板箱形截面。節(jié)段劃分為：33 m長空腹段，8 m長支架懸臂澆筑段，2 m長合龍段，邊跨支架現(xiàn)澆段。標準箱梁頂板寬20.25 m，懸臂端部理論厚0.2 m，根部厚0.7 m；相應底板寬12 m，懸臂長4.125 m，如圖2所示。接匝道橋變寬部分通過調(diào)整頂?shù)装鍖拋磉m應，箱室數(shù)量保持不變。

根據(jù)景觀效果及受力需要，空腹段上下弦采用小交角，并通過設置豎板來協(xié)調(diào)下弦不平衡力。空腹段上弦對應支點位置梁高2.2 m，向兩側利用2次拋物線形逐步增加梁高；下弦豎向高度2.5 m，立柱截面高2 m。空腹段支承處總高10 m，底緣按2.0次拋物線向2.5 m高合龍段延伸。箱梁頂板厚0.3 m，腹板厚包含0.7 m，0.6 m，0.5 m三種，底板由0.6 m變厚至0.36 m。

混凝土箱梁縱向按全預應力混凝土設計，采用三向預應力結構，縱、橫向及空腹段豎板和交匯段豎向預應力采用Φs15.2 mm高強度低松弛鋼絞線。其他豎向預應力采用精軋螺紋鋼筋，并根據(jù)受力主方向斜向布置。

空腹匯合段是設計的一個重點，提出兩種對比研究方案，一是剛性匯合交點方案，二是柔性挑板式方案[2](見圖3)。計算對比發(fā)現(xiàn)，剛性匯合交點方案局部應力較大，空腹段上弦底板出現(xiàn)6.9 MPa拉應力，采用預應力很難滿足抗裂需要；常規(guī)的柔性挑板式構造比較復雜，取消下挑板對比其驗算結果可以滿足設計要求，最終采納僅保留上挑板方案，傳力過渡順暢，構造簡潔合理。

4.2 下部構造

橋墩墩身順橋向為變厚度截面，八邊變十邊形截面，頂部縱向寬2.6 m，按25∶1向下放坡，墩頂設兩層裝飾檐用于增加景觀效果。承臺為矩形承臺，高3.5 m。基礎采用群樁結構，樁徑2.2 m。樁頂以下一定范圍內(nèi)增設永久性鋼護筒，內(nèi)徑2.4 m，壁厚20 mm。其構造見圖4。

5 結構分析

5.1 靜力分析

上部結構采用有限元程序Midas/Civil 2012進行靜力計算，共劃分324個梁單元，分別按照不同的合龍順序進行驗算，形成按照先合龍2，4，6，8中跨→合龍1，9中跨→合龍3，7中跨→邊跨合龍→最后合龍5中跨的施工流程，并對不同施工階段的邊界進行模擬，考慮混凝土收縮、徐變效應及體系轉換等因素。計算計入荷載包含：恒載、汽車和人群活載、溫度及基礎沉降，荷載效應組合采取最不利的組合原則，各階段結構應力值如表1所示。

表1 計算主要指標表 MPa

活載上下?lián)隙确蹬c跨徑之比為1/2 434，結構剛度比較大。

計算結果表明本橋結構各項指標均能滿足相關規(guī)范要求，且具有一定安全儲備。

5.2 抗震分析

因橋址處抗震要求比較高，且地質復雜，覆蓋層較厚，本橋在5號墩設計為4 500 t固定支座，其他為滑動支座，全部為摩擦擺減隔震支座。并在3號和7號墩支座增設速度鎖定裝置，在地震作用下引起大位移時鎖定，三個墩共同抵抗荷載效應。

根據(jù)JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設計細則，采用時程分析方法，并考慮摩擦擺減隔震支座的非線性進行計算。得出E1水準下墩身最大彎矩為37 560 kN·m；E2水準下最大彎矩為55 640 kN·m。設計的約束體系使主墩內(nèi)力減少42%，主梁最大位移減少51%，橋墩截面尺寸及配筋滿足規(guī)范要求。

5.3 關鍵點分析

1)空腹段。空腹段的設計是本橋的特點，但匯合處結構受力比較復雜，采用ANSYS10.0建立其局部計算模型，混凝土采用Solid45單元，預應力采用Link8單元模擬，從全橋計算結果中提取組合內(nèi)力施加到模型上進行驗算，如圖5所示。

計算得出空腹匯合處最大主拉應力1.16 MPa；最大主壓應力16.9 MPa，局部受力滿足要求。

2)箱梁底板防崩鋼筋。本橋支承處梁較高，箱梁底板采用二次拋物線過渡，造成形成的曲率半徑比較小，底板處布置的縱向預應力在曲線段將產(chǎn)生大的徑向力，因此底板需配置足夠的橫向鋼筋和防崩鋼筋，否則容易產(chǎn)生裂縫，且易導致混凝土的劈裂。

預應力鋼束徑向力的計算，已在多篇文獻中論述，如：

(1)

式(1)中參數(shù)意義詳見文獻[3]。

按照式(1)計算配筋，控制鋼筋應力150 MPa左右，得出圖6配筋布置。

6 結語

馬尾大橋副橋采用11跨長聯(lián)空腹式連續(xù)梁結構，合理地利用了梁—拱受力機制，結構新穎，整體莊重沉穩(wěn)、輕盈美觀，將力和美學很好的結合在一起。本橋結構難點比較多，空腹段采用了簡化后的柔性挑板式構造，結構簡潔，傳力明確。摩擦擺球形減隔震支座加配置的速度鎖定裝置的采用將結構地震效應降低，防崩鋼筋的設置保障了箱梁底板的安全。

[1] 彭元誠，汪金育，廖朝華，等.山區(qū)大跨度連續(xù)剛構橋[M].北京:人民交通出版社，2015.

[2] 宗 昕，吳游宇，彭元誠，等.北盤江特大橋斜腿—梁體匯合處的設計與計算[J].中外公路，2010，30(4)：183-186.

[3] 包立新，楊廣來，楊文軍.對連續(xù)剛構橋底板開裂問題的探討[J].公路，2004(8):65-68．

On structural design for multi-span long connected open-spandrel continuous girder bridge

Wu Diankun Yang Xing Yang Yingchun

(CCCCSecondHighwayConsultantsCo.,Ltd,Wuhan430056,China)

Combining with the engineering example at Mawei Avenue, the paper adopts the beam-arch combined stress mechanism, introduces the design points for the main beam, hollow-spandrel section and pier structure, analyzes the static features and seismic performance of the bridge by adopting Midas/Civil and ANSYS, and proves the structural design is reasonable, so it accumulates some experience for similar bridges.

continuous girder bridge, structural design, seismic analysis, hollow-spandrel section

1009-6825(2016)16-0186-02

2016-03-29

武電坤(1982- )，男，工程師； 楊 興(1985- )，男，工程師； 楊應春(1979- )，女，工程師

U441

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