主跨150 m連續剛構橋結構分析

李艷忠

（山西運城路橋有限責任公司，山西 運城 044000）

隨著國家經濟和現代化交通體系的快速發展，大跨度橋梁日漸增多。大跨徑預應力混凝土連續剛構橋適應了橋梁建設的需要[1]。連續剛構橋因其自身穩定性好、跨越能力強、施工方便、技術成熟、造價低、行車舒適等優點，在國內外得到長足的發展，并逐漸向高墩、大跨徑方向發展[2]，可以說連續剛構橋在國內外已經成為廣泛應用的一種橋梁結構形式。本文以一座主跨150 m的連讀剛構橋為例，對主橋的結構設計進行分析探討，希望對同類型橋型設計提供參考。

1 主橋結構設計

1.1 結構概述

以一座五跨預應力混凝土連續剛構橋為背景工程進行結構分析。該橋跨徑布置為（80+3×150+80）m=610 m，主梁為上下行雙幅分離式，每幅為單箱單室，最大墩高118 m。

圖1 橋形布置圖（單位：cm）

1.2 梁段劃分

主梁采用掛籃逐梁段對稱澆注施工，由墩頂0號塊向兩側依次對稱懸臂澆注至19號塊。箱梁縱向節段分3 m、3.5 m、4 m三種長度，其中1～6號梁段長 3 m，7～12號梁段長 3.5 m，13～19 號梁段長為4 m。墩頂0號塊總長為12 m，邊跨合攏段、中跨合攏段長度均為2 m。邊跨現澆段長度為3.65 m。設計時考慮掛籃的最大承載能力不低于350 t，掛籃自重及全部施工荷載不高于110 t。

1.3 箱梁構造

主梁采用單箱單室箱形截面。主梁根部梁高9.3 m，高跨比為1∶16.1；跨中梁高為3.3 m，高跨比為1∶45.5。箱梁頂板寬12 m，底板寬6.5 m，翼緣板懸臂長2.75 m，0號塊以外箱梁高度由9.3 m至3.3 m按1.7次拋物線變化。箱梁底板厚度從跨中向支點由0.32 m至1 m按1.7次拋物線變化；箱梁頂板厚度一般梁段為0.3 m，支點附近由0.3 m加厚至0.5 m；腹板厚度分為0.5 m、0.6 m、0.7 m三種形式，厚度變化按線性變化且均在同一個梁段內完成過渡。

1.4 預應力體系

主梁采用三向預應力混凝土結構。縱向預應力鋼束采用15-17、15-19、15-21三種高強度、低松弛鋼絞線，抗拉標準強度fpk=1 860 MPa。其中頂板束（15-19）、腹板束（15-21）、中跨合攏束（15-19）、邊跨合攏束頂板采用15-19，邊跨合攏束底板采用15-17低松弛高強度鋼絞線。邊跨頂板、底板鋼束梁端設為固定端，采用單端張拉形式，其余縱向鋼束均采用兩端張拉。

箱梁橫向預應力采用15-5低松弛、低回縮、高強度鋼絞線，鋼絞線材料特性同縱向預應力束。橫向預應力束采用單端交錯張拉方式。

為了提高梁體抗剪能力，增加安全儲備，腹板豎向預應力采用15-3低松弛、低回縮、高強度鋼絞線，豎向預應力縱向間距50 cm，在墩梁固結段，豎向預應力筋深入墩身處9 m。

1.5 下部構造

主墩采用雙薄壁空心墩，外輪廓尺寸為8.5×3.5 m，橫橋向壁厚0.8 m，縱橋向壁厚0.6 m，兩肢凈距5 m，承臺厚4 m，基礎采用22根直徑2.2 m鉆孔樁基礎；分聯墩采用矩形空心截面，外輪廓為6.5×3.5 m，壁厚0.6 m，基礎采用8根直徑2.2 m鉆孔樁基礎，基礎均按嵌巖樁設計。19～24號墩墩高分別為46.3 m、84.6 m、110 m、118 m、87 m、82.3 m，其中21號、22號墩在墩半高處設置系梁。

2 結構有限元模型

運用有限元分析軟件Midas civil2015建立有限元計算模型。主梁采用C55混凝土，橋墩及承臺采用C40混凝土。墩底采用固結處理，主梁和分聯墩之間通過彈性連接來模擬支座，建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 整體計算有限元模型

計算荷載包括：恒載、汽車荷載（公路-Ⅰ級）、基礎變位、溫度和預應力等，其中溫度荷載參照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）規定溫度場進行局部溫差效應計算，體系升溫24℃，體系降溫-26℃；溫度梯度取值T1=14℃，T2=5℃；二期恒載考慮了防撞護欄、橋面鋪裝、人行道板等的重量，按均布荷載50 kN/m施加；考慮運營風和百年風，運營風荷載橋面處風速為25 m/s，百年風荷載基本風速為27.5 m/s；主墩基礎沉降按-2 cm考慮，過渡墩基礎沉降按-1 cm考慮；施工臨時荷載考慮掛籃荷載，按1 t取值，并考慮其偏心作用。計算時考慮荷載組合工況如表1所示。

表1 整體計算荷載組合表

3 上部結構靜力計算

3.1 正截面抗彎承載能力

圖3 正截面抗彎承載能力計算結果

按照04版《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》對主梁各項指標進行計算。在計算過程中，出現負值表示壓應力，出現正值表示拉應力。按規范第5.1.5條的要求，γ0S≤R即“結構重要性系數×作用效應的組合設計最大值均小于等于構件承載力設計值”。由圖3可見，主梁的抗彎承載力均大于內力設計值，正截面抗彎承載力計算結果均滿足現行規范要求。

3.2 斜截面抗裂計算

按照規范第6.3.1-2條，對于分段澆注的全預應力構件，在短期組合下截面主拉應力需滿足σst≤0.4ftk=1.096。在短期組合下，主梁最大主拉應力如圖4。可見主梁最大主拉應力為0.94 MPa，小于規范限值1.096 MPa，滿足現行規范要求（未計入豎向預應力作用）。

圖4 斜截面抗裂驗算結果圖形

3.3 斜截面抗剪計算

主梁抗剪計算通過PSC計算，加密區箍筋為4φ16@125 mm，受拉鋼筋距截面邊緣距離為70 mm，圖5為邊梁抗剪承載力包絡圖，可見各截面抗剪承載力均滿足現行規范要求。

圖5 斜截面抗剪承載能力計算結果

3.4 主梁剛度

汽車荷載作用下，主梁跨中撓度最大值為-60 mm，根據JTG D62—2015第6.5.3條規定，活載作用下跨中最大撓度允許值：L/600=250 mm，滿足規范要求。

其余計算指標如表2所示，可見該橋在各種狀況下均能滿足規范要求。

表2 主梁主要計算指標表 MPa

4 主橋下部結構靜力計算

主橋下部結構包括橋墩、承臺和樁基礎，正常使用狀態主要包括順橋向和橫橋向的承載能力和裂縫寬度計算，采用Midas civil程序進行橋墩和樁基礎的普通鋼筋混凝土柱RC值計算。考慮橫向風荷載，分別進行順橋向和橫橋向的計算。

4.1 薄壁墩墩身強度

主橋墩身均采用薄壁形式，墩身截面為矩形。主墩的計算按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）的要求，采用鋼筋混凝土矩形截面、偏心受壓構件進行正截面強度驗算。墩身的受力考慮溫度力、混凝土收縮徐變、汽車沖擊力、地震力等，按最不利荷載組合驗算配筋。

橋墩采用C40混凝土，主筋采用HRB400鋼筋直徑32 mm呈并筋布置，間距100 mm。橋墩縱彎計算長度取實際長度的0.8倍，橫彎計算長度取實際長度的1.5倍。承載力計算過程中未計入腹板側鋼筋的作用。

計算結果表明主墩橫向、縱向、雙向偏壓安全系數分別不小于1.96、1.41、1.24，主墩偏壓承載力滿足要求。限于篇幅表3中僅給出雙向偏壓安全系數較小的23號主墩右肢下端的計算結果值。

表3 主墩承載力計算結果

4.2 墩身裂縫

墩身裂縫的計算考慮主導內力最大、最小工況下，且均考慮偏心增大系數的影響。在橫向偏壓作用下，偏壓增大系數取1.0，且全截面受壓，不出現裂縫；縱向偏壓作用下，最大裂縫寬度值僅為0.18 mm。限于篇幅表4中僅給出計算結果值較大的23號主墩左肢上端截面裂縫計算結果，橫向、縱向計算值均能滿足規范要求的0.2 mm限值。

表4 主墩裂縫計算結果

4.3 承臺

承臺是樁基礎的一個重要組成部分，應有足夠的強度與剛度。承臺按極限狀態設計，應進行局部受壓、抗沖剪、抗彎、抗剪切驗算。20～23號主墩采用分幅橋墩、整幅承臺形式，承臺順橋向尺寸為17.5 m，橫橋向尺寸24.0 m，厚4 m，采用C40混凝土。經計算，承臺上緣和下緣均應配置2層直徑28 mm鋼筋，方能滿足強度要求[3]。

4.4 樁基礎

橋梁樁基礎單樁承載力按照《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG D63—2007中公式5.3.4按嵌巖樁進行計算。計算時考慮樁基與承臺固結，承臺剛度無窮大，由上部構造計算結果的最不利荷載組合傳至主墩的反力，與墩、承臺自重疊加得出單樁軸向受壓允許承載力。根據規范中嵌巖樁計算公式，得到主墩樁長為28～32 m。具體計算結果見表5。

表5 各墩樁基計算結果

5 結論

本文以主跨150 m的連續剛構橋為例，通過有限元分析，對上部箱梁進行了靜力計算，對正截面抗彎、斜截面抗裂、斜截面抗剪、主梁剛度等指標進行了計算并驗算，結果均能滿足規范要求，實現了全預應力混凝土設計的要求；對下部構造中薄壁墩墩身、承臺、樁基礎等進行配筋計算，得到了受力較優的受力狀態。該橋的設計為今后同類橋型的設計提供參考[4-5]。