非對稱三跨預應力變截面連續箱梁簡化設計研究

魯 聰 楊阿龍

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430051)

1 工程概況

207國道公安縣埠河至南平段是公安縣的南北向交通動脈，起于埠河鎮，止于章莊鋪鎮，長約82.8 km，為雙向四車道一級公路，設計速度為80 km/h，荷載等級為公路-I級。本項目虎渡河大橋在公安縣夾竹園鎮跨越虎渡河，虎渡河是天然河流，航道等級為規劃III級航道，河道內主航道凈寬不小于128 m，其左堤為II級堤防，右堤為III級堤防。

遵循技術可行、結構安全、經濟美觀、利于環保且與地形、地物協調的原則，并綜合考慮地形、地質、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非對稱三跨預應力變截面連續箱梁方案，橋型圖布置見圖1。

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

2 橋梁設計

預應力變截面連續梁結構體系具有變形小、結構剛度好、養護簡單，以及施工工藝成熟等特點，在40～150 m跨徑范圍內具有較大競爭優勢[1-3]，設計時多采用對稱結構，現有參考設計資料豐富，而非對稱三跨預應力變截面連續箱梁不同跨徑梁段結構受力有明顯的不同[4]，在體系轉換過程中對懸臂標高控制較復雜[5]，且資料相對較少。在滿足規范要求的前提下，為提高預應力連續箱梁的經濟性，設計人員需要反復試算來優化截面尺寸及預應力鋼束布置，設計效率較低，設計成本較高。為簡化設計，可采用與對稱連續箱梁相同構造尺寸[6]。

目前有78 m+146 m+78 m連續箱梁設計圖紙，而78 m+146 m+93 m連續箱梁與78 m+146 m+78 m變截面連續箱梁僅一側邊跨長度不同，通過研究對比荷載作用基本組合下兩者內力差異，分析非對稱連續箱梁中對應的相同跨徑梁段是否可參考對稱連續箱梁進行預應力鋼束設計，以此提高設計效率，縮短設計時間，節約設計成本。

2.1 主梁結構

78 m+146 m+93 m連續箱梁與78 m+146 m+78 m連續箱梁采用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。箱梁頂板橫向寬12.24 m，箱底寬6.5 m，翼緣懸臂長2.87 m，78 m邊跨現澆段長3.8 m，93 m邊跨現澆段長18.8 m。

78 m+146 m+93 m、78 m+146 m+78 m變截面連續箱梁按全預應力混凝土設計，采用縱、橫、豎三向預應力體系[7]，縱、橫向采用φs15.2高強度低松弛鋼絞線，箱梁豎向預應力采用φT32螺紋鋼筋。施工采用掛籃對稱懸臂施工方案[8]。

2.2 承載能力極限狀態受力差異分析

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連續箱梁分別劃分為118，114個單元，計算模型見圖2，掛籃對稱懸臂施工，恒載、預應力荷載、施工荷載、活載、溫度荷載、收縮徐變、基礎沉降等效應根據規范中規定進行組合[9]。

圖2 連續箱梁計算模型

78 m+146 m+93 m、78 m+146 m+78 m連續箱梁在承載能力極限狀態下作用基本組合的效應設計值比較見圖3。

圖3 基本組合彎矩設計值比較圖

由圖3可知，78 m+146 m+93 m連續箱梁起點至第三跨1/4分點段的梁單元最大、最小彎矩值與78 m+146 m+78 m基本一致，最大差值位于第一中支點處，從第三跨1/4分點開始，由于93 m邊跨長度的增加，相應恒載、活載等均增大，導致彎矩設計值差異增加，最大差值位于第三跨約3/4分點處。基本組合下效應設計值比較見表1。

表1 基本組合下效應設計值比較表

2.3 邊跨預應力鋼束優化設計

在荷載作用基本組合下，78 m+146 m+93 m連續箱梁與78 m+146 m+78 m連續箱梁的78，146 m梁段的內力基本相同，該梁段的預應力鋼束布置可參考78 m+146 m+78 m連續箱梁進行布置，93 m邊跨預應力鋼束可參考78 m邊跨進行布置后，再經結構計算后調整以滿足規范要求。

原78 m邊跨合龍頂板采用共計6束φs15.2-15預應力鋼束，底板采用共計8束φs15.2-15預應力鋼束。經計算，93 m邊跨需將合龍段頂板調整為共計10束φs15.2-15預應力鋼束，底板采用共計20束φs15.2-15預應力鋼束。

2.4 正常使用極限狀態設計

93 m邊跨合龍預應力鋼束調整后，頻遇組合下78 m+146 m+93 m連續箱梁結構與78 m+146 m+78 m連續箱梁正截面最大拉應力、主截面最大拉應力最大差值見表2。

表2 頻遇組合下效應設計值最大差值表 MPa

由表2可知，93 m邊跨合龍預應力鋼束調整對第一跨、第二跨結構截面拉應力分布有一定影響，對第三跨結構截面拉應力分布影響較大。結構計算均滿足規范抗裂要求。

93 m邊跨合龍預應力鋼束調整后，標準組合下78 m+146 m+93 m連續箱梁結構與78 m+146 m+78 m連續箱梁正截面最大壓應力、主截面最大壓應力最大差值見表3。

表3 標準組合下效應設計值最大差值表 MPa

由表3可知， 93 m邊跨合龍預應力鋼束調整對第一跨、第二跨結構截面壓應力分布有一定影響，對第三跨結構截面壓應力分布影響較大。結構計算均滿足規范壓應力要求。

3 主橋施工方案

本橋主橋為預應力混凝土變截面連續箱梁，常規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、經濟型及施工對河道影響等因素，初擬采用掛籃施工方案，施工工序如下。

箱梁0號塊件采用支架施工，為確保懸臂施工狀態的安全，經對施工階段的驗算，需在0號段兩端分別用托架或支架作為懸臂施工狀態的臨時固結支撐體系。待全橋合龍后，拆除臨時支撐體系。拆除時保證平穩、對稱、均衡進行，全部拆除工作確保無損箱梁及橋墩的結構與外觀。箱梁0號節段施工完成后，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號節段長10 m，每個懸澆“T”縱向對稱劃分為21個節段，梁段數及梁段長從根部至跨中分別為4×2.5 m、11×3.0 m、6×4.0 m，施工方案示意圖見圖4。

圖4 掛籃懸澆施工方案示意

4 結語

通過以上結構計算結果對比分析可得如下結論。

1) 截面尺寸相同時，在基本組合下，78 m+146 m+93 m連續箱梁與78 m+146 m+78 m預應力連續箱梁的78，146 m梁段內力基本相同，93 m與78 m邊跨梁段內力有較大差別。

2) 根據內力比較結果，78 m+146 m+93 m連續箱梁可參考78 m+146 m+78 m連續箱梁布置預應力鋼束，僅通過調整93 m邊跨合龍預應力鋼束即可滿足規范結構受力要求。

3) 93 m邊跨合龍預應力鋼束調整后，對結構各梁段正截面、主截面拉壓應力分布均有一定影響，其中對93 m邊跨結構應力分布影響較大。

現在由于河流通航、防洪等要求日益嚴格，經常出現對稱預應力連續箱梁難以兼顧布跨可行性和經濟性的問題，適當采用非對稱預應力連續箱梁可有效解決這個問題，而通過參考現有對稱連續箱梁資料中預應力鋼束布置并適當優化，有利于提高設計效率，縮短設計時間，節約設計成本。