非對(duì)稱三跨預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)研究

魯 聰 楊阿龍

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 武漢 430051)

1 工程概況

207國(guó)道公安縣埠河至南平段是公安縣的南北向交通動(dòng)脈，起于埠河鎮(zhèn)，止于章莊鋪鎮(zhèn)，長(zhǎng)約82.8 km，為雙向四車道一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，荷載等級(jí)為公路-I級(jí)。本項(xiàng)目虎渡河大橋在公安縣夾竹園鎮(zhèn)跨越虎渡河，虎渡河是天然河流，航道等級(jí)為規(guī)劃III級(jí)航道，河道內(nèi)主航道凈寬不小于128 m，其左堤為II級(jí)堤防，右堤為III級(jí)堤防。

遵循技術(shù)可行、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)美觀、利于環(huán)保且與地形、地物協(xié)調(diào)的原則，并綜合考慮地形、地質(zhì)、通航、防洪、填土高度，以及施工條件，研究了虎渡河大橋主橋78 m+146 m+93 m非對(duì)稱三跨預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁方案，橋型圖布置見(jiàn)圖1。

圖1 78 m+146 m+93 m變截面連續(xù)箱梁橋型布置圖(單位：高程，m；尺寸，cm)

2 橋梁設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系具有變形小、結(jié)構(gòu)剛度好、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單，以及施工工藝成熟等特點(diǎn)，在40～150 m跨徑范圍內(nèi)具有較大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1-3]，設(shè)計(jì)時(shí)多采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有參考設(shè)計(jì)資料豐富，而非對(duì)稱三跨預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁不同跨徑梁段結(jié)構(gòu)受力有明顯的不同[4]，在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)懸臂標(biāo)高控制較復(fù)雜[5]，且資料相對(duì)較少。在滿足規(guī)范要求的前提下，為提高預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)人員需要反復(fù)試算來(lái)優(yōu)化截面尺寸及預(yù)應(yīng)力鋼束布置，設(shè)計(jì)效率較低，設(shè)計(jì)成本較高。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可采用與對(duì)稱連續(xù)箱梁相同構(gòu)造尺寸[6]。

目前有78 m+146 m+78 m連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)圖紙，而78 m+146 m+93 m連續(xù)箱梁與78 m+146 m+78 m變截面連續(xù)箱梁僅一側(cè)邊跨長(zhǎng)度不同，通過(guò)研究對(duì)比荷載作用基本組合下兩者內(nèi)力差異，分析非對(duì)稱連續(xù)箱梁中對(duì)應(yīng)的相同跨徑梁段是否可參考對(duì)稱連續(xù)箱梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)，以此提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

2.1 主梁結(jié)構(gòu)

78 m+146 m+93 m連續(xù)箱梁與78 m+146 m+78 m連續(xù)箱梁采用C50單箱單室箱梁，箱梁根部梁高8.5 m，跨中梁高3.0 m，頂板厚28 cm，底板厚從跨中至根部由28 cm變化為120 cm，腹板從跨中至根部分段采用45，70，90 cm 3種厚度，箱梁高度和底板厚度按1.8次拋物線變化。箱梁頂板橫向?qū)?2.24 m，箱底寬6.5 m，翼緣懸臂長(zhǎng)2.87 m，78 m邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)3.8 m，93 m邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)18.8 m。

78 m+146 m+93 m、78 m+146 m+78 m變截面連續(xù)箱梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系[7]，縱、橫向采用φs15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，箱梁豎向預(yù)應(yīng)力采用φT32螺紋鋼筋。施工采用掛籃對(duì)稱懸臂施工方案[8]。

2.2 承載能力極限狀態(tài)受力差異分析

利用橋梁博士有限元軟件建模分析，78 m+146 m+93 m、78 m+146 m+78 m連續(xù)箱梁分別劃分為118，114個(gè)單元，計(jì)算模型見(jiàn)圖2，掛籃對(duì)稱懸臂施工，恒載、預(yù)應(yīng)力荷載、施工荷載、活載、溫度荷載、收縮徐變、基礎(chǔ)沉降等效應(yīng)根據(jù)規(guī)范中規(guī)定進(jìn)行組合[9]。

圖2 連續(xù)箱梁計(jì)算模型

78 m+146 m+93 m、78 m+146 m+78 m連續(xù)箱梁在承載能力極限狀態(tài)下作用基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值比較見(jiàn)圖3。

圖3 基本組合彎矩設(shè)計(jì)值比較圖

由圖3可知，78 m+146 m+93 m連續(xù)箱梁起點(diǎn)至第三跨1/4分點(diǎn)段的梁?jiǎn)卧畲蟆⒆钚澗刂蹬c78 m+146 m+78 m基本一致，最大差值位于第一中支點(diǎn)處，從第三跨1/4分點(diǎn)開(kāi)始，由于93 m邊跨長(zhǎng)度的增加，相應(yīng)恒載、活載等均增大，導(dǎo)致彎矩設(shè)計(jì)值差異增加，最大差值位于第三跨約3/4分點(diǎn)處。基本組合下效應(yīng)設(shè)計(jì)值比較見(jiàn)表1。

表1 基本組合下效應(yīng)設(shè)計(jì)值比較表

2.3 邊跨預(yù)應(yīng)力鋼束優(yōu)化設(shè)計(jì)

在荷載作用基本組合下，78 m+146 m+93 m連續(xù)箱梁與78 m+146 m+78 m連續(xù)箱梁的78，146 m梁段的內(nèi)力基本相同，該梁段的預(yù)應(yīng)力鋼束布置可參考78 m+146 m+78 m連續(xù)箱梁進(jìn)行布置，93 m邊跨預(yù)應(yīng)力鋼束可參考78 m邊跨進(jìn)行布置后，再經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算后調(diào)整以滿足規(guī)范要求。

原78 m邊跨合龍頂板采用共計(jì)6束φs15.2-15預(yù)應(yīng)力鋼束，底板采用共計(jì)8束φs15.2-15預(yù)應(yīng)力鋼束。經(jīng)計(jì)算，93 m邊跨需將合龍段頂板調(diào)整為共計(jì)10束φs15.2-15預(yù)應(yīng)力鋼束，底板采用共計(jì)20束φs15.2-15預(yù)應(yīng)力鋼束。

2.4 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)

93 m邊跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束調(diào)整后，頻遇組合下78 m+146 m+93 m連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)與78 m+146 m+78 m連續(xù)箱梁正截面最大拉應(yīng)力、主截面最大拉應(yīng)力最大差值見(jiàn)表2。

表2 頻遇組合下效應(yīng)設(shè)計(jì)值最大差值表 MPa

由表2可知，93 m邊跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束調(diào)整對(duì)第一跨、第二跨結(jié)構(gòu)截面拉應(yīng)力分布有一定影響，對(duì)第三跨結(jié)構(gòu)截面拉應(yīng)力分布影響較大。結(jié)構(gòu)計(jì)算均滿足規(guī)范抗裂要求。

93 m邊跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束調(diào)整后，標(biāo)準(zhǔn)組合下78 m+146 m+93 m連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)與78 m+146 m+78 m連續(xù)箱梁正截面最大壓應(yīng)力、主截面最大壓應(yīng)力最大差值見(jiàn)表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)組合下效應(yīng)設(shè)計(jì)值最大差值表 MPa

由表3可知， 93 m邊跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束調(diào)整對(duì)第一跨、第二跨結(jié)構(gòu)截面壓應(yīng)力分布有一定影響，對(duì)第三跨結(jié)構(gòu)截面壓應(yīng)力分布影響較大。結(jié)構(gòu)計(jì)算均滿足規(guī)范壓應(yīng)力要求。

3 主橋施工方案

本橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，常規(guī)施工方案有掛籃施工、滿堂支架施工。綜合考慮施工難度、施工周期、經(jīng)濟(jì)型及施工對(duì)河道影響等因素，初擬采用掛籃施工方案，施工工序如下。

箱梁0號(hào)塊件采用支架施工，為確保懸臂施工狀態(tài)的安全，經(jīng)對(duì)施工階段的驗(yàn)算，需在0號(hào)段兩端分別用托架或支架作為懸臂施工狀態(tài)的臨時(shí)固結(jié)支撐體系。待全橋合龍后，拆除臨時(shí)支撐體系。拆除時(shí)保證平穩(wěn)、對(duì)稱、均衡進(jìn)行，全部拆除工作確保無(wú)損箱梁及橋墩的結(jié)構(gòu)與外觀。箱梁0號(hào)節(jié)段施工完成后，在其上面拼裝懸澆掛籃。主橋箱梁采用先邊跨后中跨的合龍順序，邊、中跨合龍段采用吊架施工。箱梁0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)10 m，每個(gè)懸澆“T”縱向?qū)ΨQ劃分為21個(gè)節(jié)段，梁段數(shù)及梁段長(zhǎng)從根部至跨中分別為4×2.5 m、11×3.0 m、6×4.0 m，施工方案示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 掛籃懸澆施工方案示意

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可得如下結(jié)論。

1) 截面尺寸相同時(shí)，在基本組合下，78 m+146 m+93 m連續(xù)箱梁與78 m+146 m+78 m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的78，146 m梁段內(nèi)力基本相同，93 m與78 m邊跨梁段內(nèi)力有較大差別。

2) 根據(jù)內(nèi)力比較結(jié)果，78 m+146 m+93 m連續(xù)箱梁可參考78 m+146 m+78 m連續(xù)箱梁布置預(yù)應(yīng)力鋼束，僅通過(guò)調(diào)整93 m邊跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束即可滿足規(guī)范結(jié)構(gòu)受力要求。

3) 93 m邊跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束調(diào)整后，對(duì)結(jié)構(gòu)各梁段正截面、主截面拉壓應(yīng)力分布均有一定影響，其中對(duì)93 m邊跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布影響較大。

現(xiàn)在由于河流通航、防洪等要求日益嚴(yán)格，經(jīng)常出現(xiàn)對(duì)稱預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁難以兼顧布跨可行性和經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題，適當(dāng)采用非對(duì)稱預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁可有效解決這個(gè)問(wèn)題，而通過(guò)參考現(xiàn)有對(duì)稱連續(xù)箱梁資料中預(yù)應(yīng)力鋼束布置并適當(dāng)優(yōu)化，有利于提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。