2×36 m連續(xù)箱梁橋主梁設(shè)計及縱向計算

謝居才

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司,上海市200092）

2×36 m連續(xù)箱梁橋主梁設(shè)計及縱向計算

謝居才

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司,上海市200092）

兩跨連續(xù)梁橋在實際橋梁工程項目中，采用的概率相對較小，其經(jīng)濟指標相對于多跨連續(xù)梁橋要低一些。以舟山市小干二橋工程引橋中間某聯(lián)2×36 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋為背景，從主梁設(shè)計準則、主梁構(gòu)造尺寸擬定、主梁鋼束配置及縱向計算等方面，對其主梁設(shè)計及縱向計算進行深入介紹，可為類似工程項目提供有益的參考。

連續(xù)箱梁；主梁；構(gòu)造尺寸；鋼束；荷載；縱向計算

1 概述

舟山市小干二橋工程，引橋中間某聯(lián)采用2× 36 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，橋梁橫斷面布置如圖1所示，橫斷面總寬23.9 m。

圖1 橋梁橫斷面布置（單位：m）

上部主梁采用單幅整體式箱梁，梁高2.2 m，頂?shù)淄拢瑯蛎鏅M坡2%。

下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩，墩柱中心距11 m，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

2 主要技術(shù)標準

設(shè)計中主要采用的技術(shù)標準如下：

（1）道路等級：城市主干路；

（2）設(shè)計車速：50 km/h；

（3）設(shè)計基準期：100 a；

（4）設(shè)計使用年限：100 a；

（5）環(huán)境類別：Ⅲ類環(huán)境，相對濕度80%；

（6）荷載標準：汽車荷載為城-A級，人群荷載按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11—2011）取用；

（7）設(shè)計安全等級：一級。

3 主要材料選用

3.1 混凝土

主梁采用C50高性能混凝土，表面外露部分采用涂層防腐措施。

3.2 鋼筋

普通鋼筋采用H P B300、H R B400級，其力學性能應(yīng)符合國家標準《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（G B/T 1499.2—2007）及《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱軋光圓鋼筋》（G B/T 1499.1—2008）的規(guī)定。鋼筋應(yīng)具有出廠質(zhì)量證明書，并在使用前抽驗。

3.3 預(yù)應(yīng)力鋼絞線、錨具及波紋管

預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（G B/T 5224—2014）的規(guī)定，采用s15.2低松弛鋼絞線（松弛率2.5%），fpk=1 860 MPa，Ep=1.95× 105MPa，張拉控制應(yīng)力σcon=1 395 MPa。

錨具應(yīng)符合《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》（G B/T 14370—2015）Ⅰ類錨具的各項要求。錨具變形和鋼筋回縮值按張拉端單端6 mm考慮。

預(yù)應(yīng)力管道采用可真空壓漿的塑料波紋管成型，塑料波紋管應(yīng)符合《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用塑料波紋管》（J T/T 529—2016）的規(guī)定。管道偏差系數(shù)к=0.001 5，管道摩擦系數(shù)μ=0.16。

4 主梁設(shè)計要點

4.1 主梁設(shè)計準則

主梁縱向及橫梁考慮配置預(yù)應(yīng)力鋼絞線，均按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件控制其設(shè)計。

主梁兩側(cè)懸臂控制在2.5 m左右，橋面板按普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計。

根據(jù)橋位處的環(huán)境類別，參照相關(guān)規(guī)范在耐久性設(shè)計方面的要求，確定箱梁混凝土凈保護層厚度不小于4 c m。

主梁采用支架現(xiàn)澆、一次落架施工工藝。

4.2 主梁構(gòu)造尺寸的擬定

參照類似工程實踐，梁高擬定為2.2 m，頂?shù)淄拢瑱M坡2%。主梁頂板寬23.7 m，底板寬17.4 m，單側(cè)挑臂2.4 m。主梁斷面為單箱四室大箱梁，中腹板橫向中心距4.6 m，邊腹板采用斜腹板，與底板底緣線夾角約67.2°。

頂板厚度25 c m，等厚設(shè)置。

底板變厚規(guī)律：自端橫梁實腹根部向跨中方向設(shè)置5 m漸變段，底板厚度由端橫梁實腹根部40 c m漸變到跨中22 c m；中橫梁附近底板等厚度22 c m，不設(shè)變厚段。

腹板變厚規(guī)律：自端橫梁實腹根部向跨中方向設(shè)置5 m漸變段，腹板厚度由端橫梁實腹根部55 c m漸變到跨中35 c m；中橫梁邊跨側(cè)自橫梁實腹根部向邊跨跨中方向依次設(shè)置5 m等厚段、3 m漸變段，等厚段腹板厚度55 c m，漸變段由55 c m漸變到邊跨跨中35 c m。

頂板、底板和腹板的尺寸是通過計算來確定的，尤其是腹板在中橫梁附近的變厚段設(shè)置，也是兩跨連續(xù)梁的特點之一，這里結(jié)構(gòu)尺寸的擬定對抗剪承載力有比較大的影響。

箱梁標準斷面上頂板、腹板倒角尺寸為0.7m× 0.3 m，底板、腹板倒角尺寸為0.4 m×0.2 m。橫梁下設(shè)雙支座，支座順橋向距梁端0.6 m，橫向距離箱梁中心線5.5 m。

橫梁實腹寬度：一側(cè)端橫梁1.2 m，另一側(cè)端橫梁2 m，中橫梁2.0 m。

箱梁跨中標準斷面、端支點及中支點處的橫斷面構(gòu)造尺寸如圖2～圖4所示。

圖2 箱梁跨中標準斷面

圖3 箱梁端支點斷面

圖4 箱梁中支點斷面

5 主梁縱向計算

5.1 計算概況

5.1.1 計算內(nèi)容

采用橋梁博士對主梁進行縱向計算，按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件控制設(shè)計；根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（J T G D60—2015）（以下簡稱D60）荷載效應(yīng)組合的要求進行內(nèi)力和應(yīng)力計算，驗算主梁的極限承載能力、在施工階段和使用階段的應(yīng)力水平及整體剛度是否滿足規(guī)范要求。

5.1.2 計算荷載

5.1.2.1 恒載

一期恒載：按構(gòu)件實際斷面并考慮構(gòu)造因素計入，自重系數(shù)1.08。

二期恒載：根據(jù)橋梁橫斷面布置，考慮鋪裝層、防撞護欄等橋面二期恒載，橋面二期恒載總重按150 k N/m計。

5.1.2.2 活載

機動車道荷載：城A級，橫向偏載系數(shù)1.15。

人群荷載：根據(jù)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11—2011）第10.0.5條要求確定人群荷載集度，取為3.5 k P a。

5.1.2.3 溫度荷載

整體升降溫：升溫+23℃，降溫-23℃。

梯度溫度效應(yīng)：按D60第10.0.5條計算，瀝青鋪裝層10 c m，正溫差T1=14℃，T2=5.5℃。

5.1.2.4 支座沉降

邊支點0.5 c m，中支點1.0 c m。

5.1.3 施工階段劃分

全橋主梁采用支架現(xiàn)澆，一次落架施工方法，分為3個施工階段。

第一階段：澆筑整體混凝土，張拉鋼束。

第二階段：施加二期恒載。

第三階段：收縮徐變10 a。

5.2 主梁縱向配束

縱向配束的確定是主梁縱向計算的核心。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（J T G D62—2004）（以下簡稱D62）第9.4.9條第一款規(guī)定，直線管道的凈距不應(yīng)小于40 mm，且不宜小于管道直徑的0.6倍，對于預(yù)埋的塑料波紋管，在豎直方向上可將兩管道疊置。本聯(lián)橋主梁設(shè)計時，不考慮鋼束豎向疊置。

主梁縱向鋼束設(shè)計，應(yīng)協(xié)調(diào)考慮橫梁內(nèi)設(shè)置的橫向鋼束，兩者位置在空間上不能相互沖突，并結(jié)合混凝土保護層、橋面板橫向鋼筋等信息，結(jié)合鋼束豎向間距的規(guī)定（即前述規(guī)范9.4.9條），確定主梁縱向鋼束的位置。

根據(jù)計算，本聯(lián)主梁縱向鋼束共設(shè)腹板束、頂板束和底板束3類，其中腹板束采用M15-15型錨具及配套波紋管，頂板束采用M15-12型錨具及配套波紋管，底板束采用M15-9型錨具及配套波紋管。

根據(jù)計算，單個腹板內(nèi)共設(shè)3根腹板束，腹板束在端橫梁處水平向間距為2 m，在中橫梁處鋼束控制點水平向間距1 m。

以中腹板為例，3根腹板束在梁端處均位于箱梁頂板頂緣下方180 mm，鋼束傾角25°；在中橫梁處依次位于頂緣下方150 mm、390 mm、570 mm處，鋼束傾角15°。邊腹板上腹板束按同一原則進行豎向定位。

頂板束直線段位于頂板頂緣下方130 mm處。

底板束直線段位于底板底緣上方110 mm處，即處于底板正中。

5.3 主梁縱向計算分析

采用橋梁博士進行主梁縱向計算，根據(jù)主梁構(gòu)造特點對其進行離散并建立梁單元模型，輸入鋼束、施工階段信息和汽車及人群荷載、溫度及不均勻沉降等信息，完成主梁縱向計算模型的創(chuàng)建。根據(jù)D60進行荷載效應(yīng)組合，并根據(jù)D62對主梁縱向計算結(jié)果進行分析。

5.3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算

主梁承載能力極限狀態(tài)驗算取用D60第4.1.6條規(guī)定的基本組合，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，對主梁抗彎、抗剪承載能力極限狀態(tài)進行驗算。

5.3.1.1 主梁抗彎承載能力極限狀態(tài)驗算

頂?shù)装蹇v向鋼筋直徑16 mm，間距150 mm。

通過計算，主梁跨中斷面最大外荷載彎矩為119 324 k N·m，跨中斷面最大抗彎承載力為139 838 k N·m；墩頂斷面最大外荷載彎矩為108 558 k N·m，墩頂斷面最大抗彎承載力為152 493 k N·m；主梁抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。5.3.1.2主梁抗彎承載能力極限狀態(tài)驗算

結(jié)構(gòu)尺寸、鋼束布置按實際結(jié)構(gòu)計取，箍筋直徑16 mm，間距150 mm，橫梁附近2m范圍內(nèi)間距加密至100 mm。根據(jù)D62第5.2.6～5.2.11條的相關(guān)規(guī)定進行主梁抗剪承載能力極限狀態(tài)的驗算，通過計算可知主梁構(gòu)造尺寸和抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求。

5.3.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算

按規(guī)范要求考慮主梁頂?shù)装逵行挾炔⒔?jīng)調(diào)束計算，主梁在正常使用極限狀態(tài)下的應(yīng)力均能滿足A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件抗裂驗算要求，主梁剛度亦滿足規(guī)范要求，主要計算結(jié)果如下（其中應(yīng)力以壓為“+”，以拉為“-”）。

5.3.2.1 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗算

在作用短期、長期效應(yīng)組合下正截面和斜截面抗裂驗算結(jié)果如下。

短期效應(yīng)組合最小正應(yīng)力1.17 MPa，小于規(guī)范要求的0.7ftk=0.7×2.65 MPa=1.855 MPa；長期效應(yīng)組合下基本未出現(xiàn)拉應(yīng)力；短期效應(yīng)組合最小主拉應(yīng)力1.14 MPa，小于規(guī)范要求的0.5ftk=0.5× 2.65 MPa＝1.325 MPa，滿足規(guī)范對A類構(gòu)件的抗裂要求。

5.3.2.2 持久狀況混凝土應(yīng)力驗算

主梁持久狀況下的應(yīng)力驗算結(jié)果如下。

最大正截面壓應(yīng)力10.67 MPa，小于規(guī)范要求的0.5fck=0.5×32.4M P a＝16.2 MPa；最大主壓應(yīng)力10.67 MPa，小于規(guī)范要求的0.6fck=0.6×32.4 MPa= 19.44 MPa；滿足規(guī)范要求。

5.3.2.3 持久狀況鋼束應(yīng)力驗算

鋼束容許拉應(yīng)力為0.65fpk=0.65×1 860 MPa= 1 209M P a，持久狀況下部分鋼束最大應(yīng)力1 246M P a，僅超出3.1%，基本滿足規(guī)范要求。

5.3.2.4 撓度驗算與預(yù)拱度計算

D62第6.5.3條規(guī)定，受彎構(gòu)件在使用階段的撓度應(yīng)考慮荷載長期效應(yīng)的影響。本橋主梁采用C50高性能混凝土，由規(guī)范插值求得撓度長期影響系數(shù)ηθ=1.425，消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后，主梁的最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的1/600。

通過計算，主梁最大撓度在跨中位置，消除結(jié)構(gòu)自重后的長期撓度最大值4.4 mm，小于撓度驗算容許值[L/600]=60 mm，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)D62第6.5.4條規(guī)定算得預(yù)加應(yīng)力長期反拱24 mm，荷載短期效應(yīng)組合計算的長期撓度-22.65 mm（負值代表下?lián)希鶕?jù)D62第6.5.5條的規(guī)定，預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的長期反拱值大于按荷載短期效應(yīng)組合計算的長期撓度值時，主梁不設(shè)預(yù)拱度。

5.3.3 短暫狀況應(yīng)力驗算

根據(jù)D62第7.2.8條的規(guī)定，對主梁進行施工階段的應(yīng)力驗算：施工階段最大正截面壓應(yīng)力7.1M P a，小于規(guī)范要求的0.7fck’=0.7×32.4 MPa=22.68 MPa；施工階段正截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，小于規(guī)范要求的0.7ftk’=0.7×2.65 MPa=1.855 MPa，滿足規(guī)范要求。

5.3.4 主梁計算結(jié)論

根據(jù)以上驗算結(jié)果可知：主梁承載能力滿足規(guī)范要求；主梁各截面應(yīng)力狀況滿足規(guī)范要求；主梁剛度滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

連續(xù)箱梁具有整體性好、適應(yīng)性好、施工工藝成熟等優(yōu)點。在充分考慮技術(shù)先進、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟合理的橋梁設(shè)計原則下，對舟山市小干二橋引橋某聯(lián)2×36 m連續(xù)箱梁橋進行了精細設(shè)計及計算，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸合理，各項驗算指標滿足規(guī)范要求。該聯(lián)連續(xù)箱梁橋，在結(jié)構(gòu)尺寸擬定和鋼束配置等方面，可為今后類似橋梁工程提供一定的參考。

U442

B

1009-7716（2017）06-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.040

2017-03-13

謝居才（1983-），男，河南周口人，工程師，從事橋梁工程設(shè)計工作。