預應力混凝土連續剛構橋設計與施工淺談

黃梟

(核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610061)

目前，大跨徑的橋梁都多采用連續剛構體系，連續剛構橋梁具有跨越能力大、抗震性能強、結構剛度好、行車舒適、施工簡單、養護方便等優點廣泛運用于公路和城市橋梁，尤其是在跨越山谷、河流、鐵路、高速等路段，特別是100～300m跨越能力的橋型中，連續剛構具有明顯的競爭優勢。下面結合渠縣流江河景觀橋設計為例，談談預應力混凝土連續剛構橋的結構設計。

1 連續剛構橋的設計概況

渠縣流江河景觀橋為雙幅橋，橋寬為32m，橋長為428m，橋型布置為1×30m預應力混凝土小箱梁+(65+110+65)m預應力混凝土連續剛構+5×30m預應力混凝土小箱梁。主橋主墩采用雙薄壁墩+承臺+樁基礎；交界墩及引橋橋墩為柱式墩，樁基礎；橋臺采用樁帽臺。

2 主梁構造與尺寸擬定

1)預應力混凝土連續剛構橋主梁的邊中跨比值一般為0.54～0.6，設計時應合理的選擇邊中跨比值，可以減小墩身的彎矩，使主墩基本上沒有恒載偏心彎矩，根部梁高一般采用主跨跨徑的1/15～1/18，跨中梁高宜采用主跨跨徑的1/30～1/55，一般跨中梁高主要集中在主跨跨徑的1/40～1/50，通常小跨徑取大值。

本橋主橋采用65+110+65m三跨連續剛構，邊中跨比值為0.59，合理優化了邊中跨比值，減短了主跨跨徑和邊跨現澆段長度，節省了造價，降低了施工難度。箱梁根部梁高H=6.8m，H/L=1/16.18，跨中及端頭梁高H=2.8m，H/L=1/39.29。

2)箱梁的梁底曲線通常都是采用1.8次拋物線或二次拋物線，但對于主跨跨徑大于150m的大跨徑箱梁，一般則采用1.5～1.8次拋物線。

本橋的箱梁梁高和底板厚度均采用1.8次拋物線變化，1.8次拋物線線型最符合變截面連續剛構的彎矩變化規律，可充分利用截面抗彎剛度，減輕上部結構自重，減少造價。

3)箱形截面可設計為單箱單室或單箱多室，橋面寬度小于18m，通常截面形式采用單箱單室，而橋面寬度大于18m，則采用單箱多室的截面形式或采用分幅建造。一般單箱單室的箱梁底板寬度都控制在8.5m以內，且箱室的長短邊的比值不宜大于4，否則應采用多箱室。

箱梁的懸臂板長度及腹板間距是調節橋面板彎矩的主要手段，應合理的確定懸臂板長度及箱室的劃分，使橋面板的正負彎矩相互協調，同時應考慮懸臂板板厚和是否設置橫向預應力等因素。通常不設橋面板橫向預應力的箱梁，懸臂板長度一般取1.5～3m，設橫向預應力的懸臂板長度一般為3～4.5m。

本橋橋面寬度為32m，采用分幅設計，減小了橋梁寬跨比值，有效的減小了橫向撓曲，有利于保證箱梁的縱向剛度。半幅橋寬為15.45m，采用單箱單室斷面形式，其中箱底寬8.15m，兩側懸臂翼緣板寬3.65m(見圖1)，翼板寬與箱梁底寬比值為0.448，保證箱梁截面橫向受力明確合理，使得截面橫向支點處負彎矩與截面跨中正彎矩值接近，最大限度利用混凝土截面的橫向抗彎能力，保證了橋梁承受偏心荷載時的抗扭剛度。

圖1 主橋跨中、根部主梁斷面(單位：cm)

4)一般箱梁頂板最小厚度28cm，底板最小厚度30cm，懸臂板端最小厚度18cm，腹板最小厚度50cm，結構尺寸除了要滿足受力要求，還需要滿足通過和錨固預應力鋼束的構造要求。箱梁的剛度應采用漸變，避免應力集中，如0號塊與1號塊腹板厚度、底板厚度、頂板厚度宜通過倒角過度，在腹板漸變處宜設置漸變段，漸變段一般為一個節段。

本橋箱梁的腹板厚度采用分段設置不同厚度，保證截面抗剪及抗彎能力，依次由85cm漸變至70cm，再由70cm漸變至55cm，漸變段均在一節段內實現，方便施工，節約施工立模時間。

5)箱梁梁段分塊長度的選取：0號塊的長度主要是考慮拼裝掛籃所需要的工作空間，經查閱一些既有橋梁的掛籃設計施工工藝，同時參考了以往同類型橋梁的設計來最終確定的。0號塊的長度也不宜過長，否則造成支架現澆的難度加大，常規一般控制在9～12m。0號塊橫隔板的設置也應盡量簡化，方便設計與施工。箱梁梁段分塊應最大限度地模擬施工進度，同時應考慮各個梁段重量趨于均衡，梁段分塊種類不宜過多，一般分成2～3類。

3 預應力鋼束布置

1)鋼束布置原則，①頂底板縱向預應力鋼束的布置應盡可能靠近腹板，并通過平彎和豎彎錨固在頂底板與腹板的交界處，有利于局部承壓和減小縱向預應力鋼束彎曲所產生的橫向內力。錨固齒塊應與腹板連成整體，底板齒塊一般不宜跨節段設置；②腹板預應力鋼束的布置應對稱于腹板，其錨固點一般位于距箱梁頂面2/3H以下的位置；③橫豎向預應力布置與縱向預應力不交叉并滿足空間距離要求；④鋼束錨墊板之間的距離、錨墊板與結構邊緣的距離既要滿足千斤頂張拉工作的最小空間，又要保證混凝土有足夠的局部承壓強度；⑤保證鋼束與箍筋盡量不打架，在不能避免的情況下，交叉點盡量靠近剪力零點。

2)本橋箱梁采用縱向、橫向、豎向三向預應力體系設計，根據各施工階段的結構體系和荷載情況，合理的確定了預應力的預期目標，并且保證了在使用階段結構受力達到理想狀態。通過合理優化的預應力設計，減輕了結構自重，使結構美觀輕巧，從而節約了混凝土和鋼材用量。

4 橋墩設計

主墩與主梁采用墩梁固結形式，一方面在豎向作用下減小了跨中正彎矩，跨中截面相應減小。另一方面，墩梁固結的整體性強，穩定性好，抗扭能力大，較好的滿足了懸臂施工的抗風要求，且不存在復雜的結構體系轉換。

連續剛構橋的主墩高度一般應大于主跨跨徑的1/10，且多采用雙肢薄壁墩，當墩高較大時，墩身也可采用箱型截面，在滿足抗彎和穩定的前提下，使橋墩具有較小的抗推剛度，以降低溫度作用、混凝土收縮徐變和地震力的不利影響。

當兩個主墩高度相差不大，可采用相同的壁厚和雙肢間距。若主墩高度相差較大，為保證上部結構在溫度、混凝土收縮徐變等引起的兩主墩墩頂縱向變形相當，使主墩的抗推剛度接近，則需要采用不同的壁厚和雙肢間距，使結構整體受力合理、經濟。

由于溫度與混凝土收縮徐變等將產生次彎矩，當主墩較矮或抗推剛度較大時，在墩頂容易出現較大的拉應力，應采取相應的措施來調節主墩受力。

1)在滿足抗彎和穩定的前提下，減小墩身順橋向厚度和雙肢薄壁間距;2)采用群樁基礎，計入樁基柔度對墩身的影響;3)邊跨合攏前后對主梁進行加卸載，以改善墩的受力;4)中跨合攏前施加頂推力，以改善墩的受力;5)將中跨底板預應力長束分階段錨固，分別在中跨合攏前后錨固，以減小底板束產生的次彎矩、梁端壓縮變形和混凝土收縮徐變內力。

5 細節設計

1)為避免應力集中，使結構內力能夠順暢傳遞，箱梁做了倒角處理，避免出現小于90度的尖角，并順倒角設置分布鋼筋。

2)在頂板鋼束曲線段設置“π”形吊筋，以抵抗頂板束曲線段徑向分力。底板上下層橫向構造鋼筋通過蹬筋連成整體骨架，底板和腹板鋼束曲線段設置閉合防崩鋼筋，防止底板和腹板劈裂和崩裂破壞。

3)箱梁橫隔板上的人孔一般設計成帶有直線或圓弧形倒角的矩形孔洞，并保證施工及檢修設備和人員能夠順利通過人孔。底板上的人孔通常為圓形，一般設置在梁端附近。

4)為減少箱梁內外溫度差的影響，在箱梁每個節段的腹板上設置Φ100mm的通氣孔，孔洞處設置鋼絲網防止飛禽進入，污染箱梁內環境。

5)為防止箱梁內施工及運營中可能的積水，在箱梁內每個箱室相對最低點的底板分別設置一個Φ100mm的泄水孔，并在孔洞上設置鋼絲網，以避免雜物堵塞。

6 計算與分析

6.1 計算中需重點考慮的作用

1)結構自重和預應力，設計計算應體現結構形成的過程和狀態，應按施工順序逐步計算結構因各個荷載(作用)產生的內力效應并予以疊加，并計入混凝土收縮徐變的影響，形成永久作用效應，使計算與實際施工過程相符合;2)掛籃，現大多采用輕型掛籃，主要形式有三角形掛籃和菱形掛籃，一般取節段重的0.4倍左右;3)活載，在進行結構的整體性縱向荷載計算時，除了考慮沖擊系數外，應考慮1.15的偏載系數，以控制剪力滯效應的應力增幅;4)溫度，溫度作用值應按現行《公路橋涵設計通用規范》的規定取用，并計算結構的均勻升溫或降溫效應，以及溫度梯度引起的內力;5)徐變，應充分考慮混凝土收縮徐變對結構的影響，對大跨度連續剛構橋，除施工階段天數的累計，還應考慮后期結構下撓，一般考慮10～20年左右收縮徐變的影響;6)結構基礎變位，主要是根據地質條件確定基礎變位，100m跨左右經驗取值主墩2cm，邊墩1cm;7)結構調整力，主要考慮邊中跨合攏時的豎向配重力，其目的在于懸臂端的平衡和消除合攏時合攏段兩邊的豎向位移偏差。還要考慮中跨合攏前的頂推力，其主要目的在于改善主墩受力;8)風荷載，應根據《公路橋梁抗風設計規范》驗算不同風荷載工況下的成橋階段和施工階段;9)漂流物的撞擊力，對于有通航要求或有漂流物的河流，應進行橫橋向撞擊力的計算，且應做好相應的防撞措施。

6.2 每種驗算需要重點注意的問題

1)持久狀況承載能力極限狀態計算：應考慮施加預應力產生的次效應的影響；必須考慮有效寬度的影響；在抗剪計算時，盡量將豎向預應力筋當安全儲備考慮，可適當調整腹板的下彎高度以充分發揮腹板的抗剪作用。

2)持久狀況正常使用極限狀態計算：對于主跨跨徑大于100m的連續剛構橋應按照全預應力混凝土構件進行設計；主跨跨中在自重、二期荷載、預加力等作用下的彈性下撓度值一般控制在L/4000。

3)持久狀況和短暫狀況構件的計算：重點關注四個應力，分別為墩頂位置截面頂的正應力、跨中截面底的正應力、混凝土的主拉應力、混凝土的最大壓應力；施工階段計算主要考慮最大懸臂階段、頂推階段的穩定性驗算和承載能力驗算。

7 施工要點

7.1 主要施工方案

本橋樁基采用嵌巖樁，主墩位于流江河中，水深約5m，因此基礎的施工難度較大，設計考慮采用筑島圍堰施工。

主橋箱梁采用掛籃懸臂施工，箱梁縱向分塊為9m(邊跨現澆段)+2m(邊跨合攏段)+4×4m+6×3.5m+4×3m(14個懸澆段)+10m(零號塊)+4×3m+6×3.5m+4×4m(14個懸澆段)+2m(中跨合攏段)，其中零號塊采用托架施工，邊跨現澆段采用支架施工(見圖2、圖3)。

圖2 主梁邊跨分塊立面(單位：cm)

圖3 主梁中跨分塊立面(單位：cm)

7.2 零號塊施工

箱梁零號塊的混凝土澆注方量很大，且通常需要一次性澆注完成，因此要求零號塊施工托架的強度和剛度必須能夠滿足一次性澆注的要求，施工托架應按施工總重量的1.2倍進行預壓，以消除托架的彈性變形，檢驗托架的安全度，若零號塊一次澆注不能完成，可分兩次澆注，先澆注底板和腹板，再澆注頂板，宜將兩次澆注混凝土的齡期控制在7d以內,并預留施工逢,在二次澆注前應鑿毛并將表面清理干凈。

7.3 懸臂澆注施工

應隨時保證懸臂施工的對稱和平衡。每個懸臂澆注梁段都要求一次澆注完成，每個梁段的施工周期(包括安裝掛藍、立模澆注混凝土以及張拉縱向預應力鋼束)一般不小于10d。混凝土的澆注順序應從掛籃前端向后端澆注，使掛籃前期撓度大，后期撓度小，前期出現的腹板變形可以在后期的澆注過程中進行彌補。

7.4 預應力施工

1)每一梁段縱向預應力鋼束的張拉應嚴格按照設計規定的順序進行對稱張拉，張拉時應注意梁體和錨具的變化;2)橫豎向預應力應滯后本節段縱向預應力筋兩個節段后再張拉;3)三向預應力管道相碰時，保證縱向移動橫豎向，用作后錨的豎向預應力筋不允許偏位，橫豎向相碰時，保證豎向移動橫向，但橫向最大偏位不得大于10cm;4)預留管道一般在施工時管道堵塞等意外事故時才能考慮起用，經確認不需使用后，應及時封堵、灌漿。

7.5 合攏施工及體系轉換

主橋箱梁全橋分兩個合攏階段，第一階段是邊跨合攏；第二階段中跨合攏。

1)邊跨合攏段的施工：進行邊跨合攏時，在邊跨懸臂端設置與現澆梁段等重量的平衡配重。澆筑合攏段混凝土，同時逐步卸出配重;2)中跨合攏段的施工：先在懸臂端安裝平衡配重(每端重量為二分之一的合攏段自重)，然后安裝中跨合攏段勁性骨架，根據設計頂推力對稱頂推兩側“T構”，選擇一天中較穩定的溫度時間澆筑中跨合攏段混凝土(設計合攏溫度一般控制在15°C±3°C)，同步逐漸卸除平衡配重;3)張拉合攏段底板預應力鋼束應先張拉長束后張拉短束。

8 結語

連續剛構橋的特點很鮮明。墩梁固結，施工過程中無需體系轉換，方便施工；順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度都很大，受力性能好；主墩較柔，順橋向的抗推剛度相對較小，有利于溫度作用、混凝土收縮徐變和抗震；伸縮縫少，行車平順舒適。基于以上特點，連續剛構橋有很好的發展前景，隨著上部結構的不斷輕型化，跨越能力可進一步增大，同時上部結構連續長度的增長，也可以適應高速行車。