2×36 m連續箱梁橋主梁設計及縱向計算

謝居才

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市200092）

2×36 m連續箱梁橋主梁設計及縱向計算

謝居才

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市200092）

兩跨連續梁橋在實際橋梁工程項目中，采用的概率相對較小，其經濟指標相對于多跨連續梁橋要低一些。以舟山市小干二橋工程引橋中間某聯2×36 m預應力混凝土連續箱梁橋為背景，從主梁設計準則、主梁構造尺寸擬定、主梁鋼束配置及縱向計算等方面，對其主梁設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。

連續箱梁；主梁；構造尺寸；鋼束；荷載；縱向計算

1 概述

舟山市小干二橋工程，引橋中間某聯采用2× 36 m預應力混凝土連續梁橋，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，頂底同坡，橋面橫坡2%。

下部結構采用雙柱墩，墩柱中心距11 m，基礎采用鉆孔灌注樁。

2 主要技術標準

設計中主要采用的技術標準如下：

（1）道路等級：城市主干路；

（2）設計車速：50 km/h；

（3）設計基準期：100 a；

（4）設計使用年限：100 a；

（5）環境類別：Ⅲ類環境，相對濕度80%；

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

（7）設計安全等級：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）的規定。鋼筋應具有出廠質量證明書，并在使用前抽驗。

3.3 預應力鋼絞線、錨具及波紋管

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

錨具應符合《預應力筋用錨具、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。

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

4 主梁設計要點

4.1 主梁設計準則

主梁縱向及橫梁考慮配置預應力鋼絞線，均按A類預應力混凝土構件控制其設計。

主梁兩側懸臂控制在2.5 m左右，橋面板按普通鋼筋混凝土構件設計。

根據橋位處的環境類別，參照相關規范在耐久性設計方面的要求，確定箱梁混凝土凈保護層厚度不小于4 c m。

主梁采用支架現澆、一次落架施工工藝。

4.2 主梁構造尺寸的擬定

參照類似工程實踐，梁高擬定為2.2 m，頂底同坡，橫坡2%。主梁頂板寬23.7 m，底板寬17.4 m，單側挑臂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，等厚設置。

底板變厚規律：自端橫梁實腹根部向跨中方向設置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，不設變厚段。

腹板變厚規律：自端橫梁實腹根部向跨中方向設置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；中橫梁邊跨側自橫梁實腹根部向邊跨跨中方向依次設置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置，也是兩跨連續梁的特點之一，這里結構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：一側端橫梁1.2 m，另一側端橫梁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 計算內容

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

5.1.2 計算荷載

5.1.2.1 恒載

一期恒載：按構件實際斷面并考慮構造因素計入，自重系數1.08。

二期恒載：根據橋梁橫斷面布置，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1.15。

人群荷載：根據《城市橋梁設計規范》（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：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《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（J T G D62—2004）（以下簡稱D62）第9.4.9條第一款規定，直線管道的凈距不應小于40 mm，且不宜小于管道直徑的0.6倍，對于預埋的塑料波紋管，在豎直方向上可將兩管道疊置。本聯橋主梁設計時，不考慮鋼束豎向疊置。

主梁縱向鋼束設計，應協調考慮橫梁內設置的橫向鋼束，兩者位置在空間上不能相互沖突，并結合混凝土保護層、橋面板橫向鋼筋等信息，結合鋼束豎向間距的規定（即前述規范9.4.9條），確定主梁縱向鋼束的位置。

根據計算，本聯主梁縱向鋼束共設腹板束、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。

根據計算，單個腹板內共設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，根據主梁構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建。根據D60進行荷載效應組合，并根據D62對主梁縱向計算結果進行分析。

5.3.1 持久狀況承載能力極限狀態驗算

主梁承載能力極限狀態驗算取用D60第4.1.6條規定的基本組合，結構重要性系數1.1，對主梁抗彎、抗剪承載能力極限狀態進行驗算。

5.3.1.1 主梁抗彎承載能力極限狀態驗算

頂底板縱向鋼筋直徑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范要求。5.3.1.2主梁抗彎承載能力極限狀態驗算

結構尺寸、鋼束布置按實際結構計取，箍筋直徑16 mm，間距150 mm，橫梁附近2m范圍內間距加密至100 mm。根據D62第5.2.6～5.2.11條的相關規定進行主梁抗剪承載能力極限狀態的驗算，通過計算可知主梁構造尺寸和抗剪承載能力均滿足規范要求。

5.3.2 持久狀況正常使用極限狀態驗算

按規范要求考慮主梁頂底板有效寬度并經調束計算，主梁在正常使用極限狀態下的應力均能滿足A類預應力混凝土構件抗裂驗算要求，主梁剛度亦滿足規范要求，主要計算結果如下（其中應力以壓為“+”，以拉為“-”）。

5.3.2.1 正常使用極限狀態抗裂驗算

在作用短期、長期效應組合下正截面和斜截面抗裂驗算結果如下。

短期效應組合最小正應力1.17 MPa，小于規范要求的0.7ftk=0.7×2.65 MPa=1.855 MPa；長期效應組合下基本未出現拉應力；短期效應組合最小主拉應力1.14 MPa，小于規范要求的0.5ftk=0.5× 2.65 MPa＝1.325 MPa，滿足規范對A類構件的抗裂要求。

5.3.2.2 持久狀況混凝土應力驗算

主梁持久狀況下的應力驗算結果如下。

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

5.3.2.3 持久狀況鋼束應力驗算

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

5.3.2.4 撓度驗算與預拱度計算

D62第6.5.3條規定，受彎構件在使用階段的撓度應考慮荷載長期效應的影響。本橋主梁采用C50高性能混凝土，由規范插值求得撓度長期影響系數ηθ=1.425，消除結構自重產生的長期撓度后，主梁的最大撓度不應超過計算跨徑的1/600。

通過計算，主梁最大撓度在跨中位置，消除結構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，滿足規范要求。

根據D62第6.5.4條規定算得預加應力長期反拱24 mm，荷載短期效應組合計算的長期撓度-22.65 mm（負值代表下撓），根據D62第6.5.5條的規定，預加應力產生的長期反拱值大于按荷載短期效應組合計算的長期撓度值時，主梁不設預拱度。

5.3.3 短暫狀況應力驗算

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

5.3.4 主梁計算結論

根據以上驗算結果可知：主梁承載能力滿足規范要求；主梁各截面應力狀況滿足規范要求；主梁剛度滿足規范要求。

6 結語

連續箱梁具有整體性好、適應性好、施工工藝成熟等優點。在充分考慮技術先進、安全可靠、適用耐久、經濟合理的橋梁設計原則下，對舟山市小干二橋引橋某聯2×36 m連續箱梁橋進行了精細設計及計算，結果表明結構構造尺寸合理，各項驗算指標滿足規范要求。該聯連續箱梁橋，在結構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

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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，從事橋梁工程設計工作。