上橫瀝大橋大跨連續剛構橋設計

王文前

（廣東省建筑設計研究院，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

西線公路南延段工程南起橫瀝鎮西南部現狀萬環西路，往北接大崗鎮中船中路，沿線跨越下橫瀝水道、廣澳高速公路（京珠高速東段）、上橫瀝水道，下穿規劃南沙疏港鐵路。路線全長約6.34 km，道路紅線寬度為60m，規劃定位為具有疏港交通性主干路，承擔南沙城市中心過境交通疏解通道，同時兼具南沙港疏港輔助通道作用。

上橫瀝大橋位于南沙橫瀝鎮西部和大崗鎮南部，為西線公路南延段標段二跨越上橫瀝水道的橋梁。上橫瀝水道呈東西走向，起于番禺區義沙頭，訖于上橫瀝入匯蕉門水道處。上橫瀝大橋為57.5m+100m+57.5m預應力混凝土連續剛構橋，單幅橋寬15.6m，采用懸臂節段施工。

2 結構設計

2.1 總體布置

本工程范圍內上橫瀝水道寬310m，通航凈寬40m，對應醉倒通航水位的通航凈高6.0 m，且橋梁采用一孔跨過通航水域。根據常用經濟合理邊中跨比，主橋跨徑布置采用57.5m+100m+57.5m。主橋總體布置見圖1，中支點處橫斷面布置見圖2。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

圖2 橫斷面布置圖（單位：cm）

大橋的主要技術標準：航道等級為內河V I級，規劃通航凈寬60m，通航凈高6 m；橫斷面布置為：3m（人行道）+12.0m（車行道）+0.5m（中央分隔帶處防撞墻）+0.1 m（預留110 k V的蓋板）=15.6 m；城市主干道，設計車速為60 km/h；荷載標準：汽車荷載為城-A級（單向三車道）。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g。

2.2 主梁結構設計

根據國內外連續剛構橋統計資料[1-2]分析，主梁梁高可按下列數據考慮：支點處高跨比1/17～1/20，其中大部分為1/18左右；跨中處高跨比1/50～1/60，其中大多數為1/54～1/60。頂板跨中厚度不宜小于28 cm，底板厚度不宜小于32 cm，腹板厚度一般取40～50 cm。邊中跨比宜取 0.55～0.6。

對于大跨連續剛構橋，宜適當增加梁高，以增加主梁剛度，改善主梁應力狀態。

箱梁采用單箱雙室直腹板斷面，箱頂板設置2%單向橫坡，箱梁底板水平，腹板變高。箱梁頂面寬度為15.6m，懸臂為2.8m，底面寬度為10.0m。箱梁中支點梁高取6.0m，高跨比1/16.7；跨中梁高2.5m，高跨比1/40，邊跨與中跨梁高對稱，梁高按二次拋物線變化。

0號梁段采用2片橫隔板，厚度為100m，端隔板厚度為150 cm。邊跨現澆段的13#梁段箱梁頂板厚度為28 cm，14#梁段頂板厚度從28 cm至60 cm直線漸變，其它梁段頂板厚28 cm。箱梁底板厚度為32～80 cm，箱梁懸澆梁段底板上、下緣線按二次拋物線變化，0#塊底板倒角后厚度從80～130 cm。邊跨現澆段14號節段底板厚度向梁端由32 cm按直線變化至60 cm。箱梁腹板厚度在1～5#梁段區間為70 cm，8～13#梁段區間為50 cm，6～7#梁段為腹板厚度變化段，從50～70 cm。

2.3 預應力體系

箱梁設縱向預應力、橫隔板橫向預應力和腹板豎向預應力，橋面板不設預應力。箱梁縱向按全預應力構件設計，橫隔板預應力按預應力A類構件設計，橋面板按鋼筋混凝土構件設計。

縱向預應力采用Φs15.2mm高強度低松弛鋼絞線，標準強度為1 860 MPa，錨固體系為群錨體系。箱梁0#塊橫隔板橫向預應力、豎向預應力采用抗拉強度標準值fpk=930MPa、直徑32mm的預應力螺紋鋼筋。預應力均采用真空壓漿工藝。

預應力張拉次序：縱向懸澆鋼束隨節段施工依次張拉；邊跨連續鋼束在邊跨合龍后分兩批張拉；中跨連續鋼束在全橋何龍后分兩批張拉。豎向預應力滯后兩個節段依次張拉。

2.4 主橋施工方案

主梁采用懸臂澆筑法施工，箱梁0號節段長度為12m，對稱懸臂澆筑部分分為11個節段，節段長度3.5～4.5m，合龍段長2.0m，全橋共設置兩個邊跨合龍段和一個中跨合龍段，邊跨支架現澆段長6.5m。

現在支架上澆筑0號節段，再利用掛籃依次懸臂澆筑1號～11號節段，并適時搭設支架現澆邊跨現澆段，然后進行邊跨合龍，最后進行中跨合龍。

3 結構靜力計算

3.1 主要計算參數

主梁總體計算采用橋梁博士軟件按平面桿系有限元建立模型分析。計算模型嚴格按施工步驟模擬，詳細考慮懸臂澆筑工程中掛籃前移、混凝土澆筑、轉移錨固、合龍、體系轉換等過程。

主梁縱向按全預應力構件設計，考慮恒載、預應力及其次內力、收縮徐變、汽車和人群荷載、溫度作用和不均勻沉降以及施工荷載等效應。計算時按設計規定的掛籃重量和錨固位置準確模擬施工過程；非線性溫度效應按現行規范計算；基礎不均勻沉降考慮了中墩2 cm、邊墩1 cm。

3.2 主要計算結果

按照規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTG 3362—2018[3]第6.3.1條，對于全預應力混凝土構件，正截面抗裂驗算應滿足：σst-0.80σpc≤0（不出現拉應力）。計算結果表明，主梁在頻遇組合下截面上、下緣最小壓應力為0.42MPa，故主梁正截面抗裂滿足規范要求。頻遇組合下截面上、下緣最小應力（圖中壓應力為正）見圖3。

圖3 頻遇組合下截面上、下緣最小應力（單位：MPa）

按全預應力構件，斜截面抗裂性要求主拉應力滿足σtp≤0.4ftk=1.096 MPa（容許出現1.096 MPa拉應力）。計算結果表明，主梁在頻遇組合下主梁的最大主拉應力應力為1.11 MPa，滿足規范要求。頻遇組合下截面主拉應力（圖中拉應力為負）見圖4。

圖4 頻遇組合截面主拉應力（單位：MPa）

使用階段主梁正截面混凝土的壓應力應滿足σkc+σpt≤0.5fck=17.75MPa。計算結果表明主梁正截面混凝土上緣最大壓應力為15.39 MPa，下緣最大壓應力為9.89MPa，滿足規范要求，見圖5。

圖5 使用階段正截面壓應力（單位：MPa）

使用階段主梁正截面混凝土的主壓應力應滿足σcp≤0.6fck=21.3MPa。計算結果表明主梁混凝土最大主壓應力為15.55MPa，滿足規范要求，見圖6。

3.3 預拱度

圖6 使用階段截面主壓應力（單位：MPa）

本橋預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，按規范要求可不設預拱度。考慮到大跨徑連續剛構橋長期使用后，中跨下撓情況較多，本工程對主跨中跨跨中預留60 mm成橋預拱度，按正弦曲線設置，在中墩頂順接。

4 抗震分析

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2001）以及《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）[4]，判定屬于乙類橋梁，采用A類抗震設計方法。根據勘察報告，本區地震基本烈度為Ⅶ度，設計地震基本加速度為0.10g，第一組，Ⅲ類場地，地震特征周期值為0.45 s。

地震荷載采用反應譜理論計算，按《城市橋梁抗震設計規范》CJJ 166—2011第6.3條，分別考慮順橋向、橫橋向、豎向三個方向的地震作用。進行地震反應分析時，選取前60階模態進行計算組合，組合方式為C Q C法，每個方向振型參與質量均達到了90%以上。

采用有限元軟件進行分析，在E1地震下，墩頂最小軸力為24125kN，順橋向最大彎矩為16372kN·m，橫橋向最大彎矩為9 180 kN·m；墩底最小軸力為49 434 kN，順橋向最大彎矩為12 699 kN，橫橋向最大彎矩為8 038 kN·m。墩柱順橋向以墩頂作為控制截面，E1地震作用下結構處于彈性受力狀態。墩柱橫橋向以墩底作為控制截面，E1地震作用下結構處于彈性受力狀態。

E2地震下，墩頂最小軸力為40 182 kN，墩底最小軸力為66 086 kN。墩柱順橋向以墩頂作為控制截面，E2地震作用結構進入塑性，需考慮剛度折減。墩柱橫橋向以墩底作為控制截面，E2地震作用下結構出于彈性受力狀態。順橋向剛度折減后再計算順橋向及橫橋向內力，經強度驗算及變形后抗震計算滿足規范要求。

5 結語

近幾十年來，隨著我國經濟及現代化交通運輸視事業的快速發展，大跨徑橋梁建設日益增多。連續剛構橋綜合了T型剛構橋懸臂施工保持體系平衡的特點，同時又具備連續梁橋整體上能承受正、負彎矩的優點，故在近四十年間得到了廣泛的發展與應用。

上橫瀝大橋在設計過程中，參考了國內類似跨徑橋梁的結構參數取值，并結合具體計算，對結構尺寸進行了優化調整。計算結果表明，主梁極限承載力能力及短期、標準組合下應力都能滿足規范要求。本橋的計算結果，可為同類橋梁設計提供借鑒。