高速公路預應力橋梁結構設計研究

韓 峰

（華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210014）

0 引言

預應力結構的優點為可以有效提高混凝土的抗拉性能，但基于預應力中諸多不穩定因素影響，對整體結構強度、質量也會帶來一定威脅。現如今，預應力混凝土在路橋工程中的應用范圍愈發廣泛，正是由于其適用性高，可以更好地確保建筑物和施工安全，同時具備經濟性和合理性等優點，且能夠真正實現技術、質量和美學的和諧統一。

1 工程概況

工程全線設置主線橋梁（含互通、服務區內主線橋）37座，橋長共計10 417.56 m，其中特大橋2座，總長2 799.8 m；大橋10座，總長6 105.76 m；中小橋25座，總長1 512.0 m。設計荷載標準：公路-Ⅰ級；設計速度：主線120 km/h；主線標準橋面寬度：雙向四車道，總寬27 m，橋面凈寬2×11.975 m；主線橋下部結構在滿足受力要求的基礎上，根據跨徑和墩臺高度，將下部結構形式尺寸進行適當歸并統一。主線16 m、20 m跨徑空心板橋采用1.1 m墩柱接1.2 m樁基；30 m跨徑箱梁采用1.4 m墩柱接1.5 m樁基，35 m跨徑采用1.6 m墩柱接1.8 m樁基。

2 選材及選型設計

2.1 混凝土材料的選擇

（1）水泥。選擇質量相對穩定的硅酸鹽水泥，并確保材料中的堿不超過0.6%，熟料內所含的C3A不超過8%。其他技術要求應與相關規定相符。一座橋梁中的預制板要確保所使用的水泥種類相同。

（2）細骨料。細骨料要挑選一些天然且硬質潔凈的粗河砂，倘若要應用機制砂，則要挑選經過專業處理和試驗的機制砂，細度模數確保在2.6～3.2之間，泥的含量也要≤2%，所含泥塊量在0.5%以下。

（3）粗骨料。粗骨料要挑選耐久性較高且較堅硬的品類，如卵石等，且孔隙率不超過40%，壓碎指標也不能超過20%，母巖抗壓強度和混凝土設計強度的比例要超過1.5，泥含量＜1%，其中的泥塊量應不超過0.5%，所含的針片狀應不超過10%。最佳的粒徑應處于5～20 mm之間，連續級配，最大的粒徑應小于25 mm，且要保證小于或者等于鋼筋凈距最小值的3/4。

（4）挑選的骨料需要在施工之前通過試驗明確其堿活性。須注重挑選非活性骨料，不建議挑選膨脹率超過0.2%的堿-硅酸鹽反應活性骨料。如果所挑選骨料的膨脹率處于0.1%～0.2%之間，混凝土內所含的堿總量要小于2.8 kg/m3，同時，要通過有效的試驗進行檢測，以確保合格。

（5）在挑選礦物摻和料時，優先考量具備穩定性特點的粉煤灰，且要保證其內部所含氯離子不超過0.02%，同時滿足相應規范要求。

（6）外加劑。外加劑的挑選應優先考量穩定性高，并可以和膠凝材料有效相容的品類。減水劑可挑選聚羧酸高性能一類，也要滿足《混凝土外加劑》（GB8076—2008）標準規定的要求[1]，具體的摻量和水泥是否能夠適用，應通過相應試驗來確定。膨脹劑以及引氣劑也要滿足相關標準規范要求。

2.2 鋼筋選材

（1）梁底調平鋼板采用Q355qD，應符合《橋梁用結構鋼》（GB/T714—2015）規定；護欄采用Q355，其余均采用Q235，應符合《碳素結構鋼》（GB/T700—2006）規定。

（2）挑選焊接材料時，應考慮挑選能夠匹配母材的焊條以及焊絲等，二氧化碳的純度要≥99.5%，同時要確保材料滿足國家規定要求。

（3）低松弛高強度預應力鋼絞線。預應力鋼絞線應符合《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224—2014）標準。一根標準型鋼絞線的直徑為ФS15.2 mm，面積為140 mm2，抗拉強度應保持在1 860 MPa。

3 預應力橋梁結構設計

3.1 上部構造設計

3.1.1 預應力混凝土空心板

該標段位于平曲線上的空心板梁橋，橋墩按照徑向布置，采用彎橋折做，橋臺平行于邊孔梁端線，用護欄調整為曲線。

①預應力混凝土空心板是結構簡支、橋面連續結構，板梁結構以A類構件進行預應力設計；②利用平面桿系結構軟件開展計算操作，現澆層應為受力部分，以簡支正板作為跨中彎矩的設計憑據，以簡支斜板作為支點剪力的設計憑據。借助杠桿法實現橫向分布系數支點的計算，利用鉸接板梁法實現四分點至跨中的計算，四分點至支點，依照直線內插可得；③具體參數如下：預應力鋼筋的松弛系數為0.3、彈性模量為1.95×105MPa；混凝土的彈性模量為3.45×104MPa、重力密度為26.0 kN/m3；預應力損失參數：以50 m為標準計算臺座的張拉長度，基于一端進行張拉，鋼筋的回縮值設為6 mm，鋼筋和臺座之間的加熱養護溫差設為20 ℃；④處于運營中的主梁應力，根據預制板以及現澆混凝土以8 cm厚度的共同受力展開計算，沒有參考鉸縫截面的相關受力，只參考聯結作用；⑤橋面鋪裝鋼筋采用焊接鋼筋網，斜交角≥20°時，設置角隅加強鋼筋和鈍角加強鋼筋。

3.1.2 裝配式PC連續（簡支）箱梁

該標段位于平曲線上的裝配式PC連續（簡支）箱梁橋，墩、臺按照徑向布置，采用彎橋折做，用護欄調整為曲線。①裝配式PC連續箱梁選用多箱單獨預制，簡支優先，連續在后的結構體系；②箱梁為部分預應力混凝土A類，以平面桿系有限元程序實現內力的計算，通過剛接板(梁)法對荷載橫向分配系數進行計算，并用梁格法進行檢算。橋面板計算按單向板和懸臂板計算；③計算參數參考：混凝土的彈性模量為3.45×104MPa、重力密度為26.0 kN/m3；管道偏差系數是0.001 5；錨具產生的變形以及鋼筋的回縮均以6 mm為參考；瀝青混凝土的重力密度為24.0 kN/m3；管道的摩擦系數為0.25。注重考慮豎向梯度溫度效應，橋面現澆層及瀝青鋪裝部分會對梯度溫度造成一定的影響，根據有關要求進行取值設計。

3.1.3 現澆等截面連續箱梁

①橋梁截面形式為單箱多室，等高。橋面橫坡形成方式：腹板鉛垂，頂底板平行由箱梁整體旋轉而成；②為了確保連續箱梁的抗剪性能，應盡可能挑選腹板預應力鋼束。現澆預應力混凝土連續箱梁盡量采用兩端張拉施工；③現澆預應力混凝土連續箱梁采用平面桿系有限元及梁格有限元程序按部分預應力混凝土A類構件計算（主線跨一線海堤特大橋主橋采用全預應力構件）。橋面板計算按單向板和懸臂板計算；④計算參數參考：混凝土的彈性模量為3.45×104MPa、重力密度為26.0 kN/m3；管道偏差系數是0.001 5；錨具產生的變形以及鋼筋的回縮均以6 mm為參考；瀝青混凝土的重力密度為24.0 kN/m3；管道的摩擦系數為0.25；針對支座不均勻沉降的摩擦樁可以按照L/4 000來確認。注重考慮豎向梯度溫度效應，橋面現澆層及瀝青鋪裝部分會對梯度溫度造成一定的影響，根據有關要求進行取值設計。

3.1.4 懸澆梁

（1）上部構造。梁垛河主橋采用左幅（48+85+48）m的三跨變截面型的混凝土連續箱梁，選取的是單箱單室，箱梁梁高的變化以兩次拋物線為標準，以距跨中1 m的位置，進行2.5 m的變化，直到和主墩的中心位置距離2.5 m的位置，變化5.1 m。同時，橋梁主體的墩頂位置0號塊區域設計2.5 m厚的中橫梁，于邊跨的末端搭建1.8 m厚的端橫梁，中跨跨中設置0.3 m厚中隔板。箱梁單幅全寬13.025 m，與橫橋向的底板呈水平狀態，箱頂部布設斜度為3%且方向單一的斜坡，箱梁的兩邊懸臂設計長度為3.2 m，并設計為豎、橫、縱三向體系。

橋梁主體部分箱梁頂部結構的厚度是0.28 m。底板設計厚度以2次拋物線為標準，基于跨中0.3 m的位置開始變化直到和0號塊中心位置相距3.5 m位置的0.8 m。對于箱梁腹板的厚度，要確保2～6號梁段以0.8 m為基準，9～11號以0.5 m為基準，7號和8號基于0.8 m直線漸變至0.5 m，0號從橫梁位置的1.1 m直線漸變至0.8 m。為實現箱梁根部截面受力的優化目的，要在0號塊兩端周邊的底板相關位置以及截面頂部實施加厚處理。

橋梁主體的連續箱梁選擇的施工手段為掛籃懸臂澆筑法，“T”箱梁需要在支架上展開現澆操作的包括0號和1號塊，其他的部分要劃分成10對梁段，并選擇逐段開展的平衡懸臂澆筑法。箱梁縱向懸臂的澆筑長度是36 m[分段為：（2×3+4×3.5+4×4）m]，1 號和 0 號的箱梁墩頂現澆塊件總長度為11 m，中跨合攏部分的長度是2 m，邊跨合攏部分的長度是2 m，邊跨部分的現澆長度是4.42～7.84 m。

（2）預應力設計。主橋橋幅的縱向預應力挑選的是鋼絞線束，選用規格為15Фs15.2、17Фs15.2。鋼束張拉錨下控制應力設計為1 339.2 MPa，對應張拉力具體是3 187.3kN、2 812.3kN。箱梁頂部結構的橫向預應力設計為3Φs15.2鋼絞線，間距的布設控制在50 cm，交錯固定一端進行張拉錨固相關操作，錨下的控制應力設計為1 339.2 MPa，對應控制張拉力是562.5 kN。

豎向預應力鋼筋挑選的是直徑為32 mm的精軋螺紋鋼筋，型號為JL32，設計強度為fpk=785 MPa，彈性模量Ep=2×105MPa，每根設計張拉力為537 kN。80 cm腹板加厚段單個腹板截面橫向布置2根，50 cm腹板等厚段及腹板變厚段單個腹板截面橫向布置1根，豎向預應力沿橋軸線按50 cm間距布置，采用單端張拉（豎向預應力筋在梁頂張拉）方式，相應的預應力錨具為YGM-32和YGD-32墊板。在進行預應力的損失計算中，孔道偏差系數為0.001 5，管道的摩擦系數為0.25，錨具端回縮量為6 mm。

（3）計算參數。針對橋梁上部結構的靜力分析，應基于《橋梁博士》展開具體計算。主要涉及溫度變化（不論是升溫還是降溫，均需以20 ℃為標準）、活載、支座強迫位移（對于主墩產生不均勻沉降需要以2 cm為標準，邊墩則需要以1 cm為標準）、恒載、預應力等，日照溫度差異要根據相關規范內容等荷載作用實現有效計算[2]。具體計算中，根據相關標準內容，針對各類荷載展開差異化的荷載組合，針對結構的應力以及強度等，分別進行了計算核驗。主橋的上部結構設計為全預應力混凝土構件。

針對橋梁上部結構施工階段展開的計算，基于梁段進行施工工藝和順序等的劃分，針對各梁均參照張拉預應力以及掛籃移動就位等過程。其中，掛籃設計重量為60 t，參考《橋梁博士》有關專業內容，針對各梁段施工期間的撓度以及內力等實施了計算與核驗。主橋先邊跨合攏，然后拆除臨時錨固，最后展開中跨合攏相關操作。利用框架模型對箱梁進行橫向分析計算，同時，將其作為依據實現頂板橫向鋼筋等相關構件的配置。

3.2 下部結構

工程主橋的下部具體結構包括承臺、鉆孔灌注樁等，其中，鉆孔灌注樁的樁基礎直徑是1.8 m，薄壁空心墩順橋向的設計尺寸是4 m、橫橋向為7 m，承臺順橋向設計尺寸為16.5 m、橫橋向為12 m。所選用支座為球形，具有減震防摩擦等功能，型號是SFJZ7MN以及SFJZ45MN。其中第二種型號的支座主要發揮支撐中間墩的作用，第一種主要發揮支撐過渡墩的作用。選擇了梳齒板結構的伸縮縫，具體型號為320[3]。

以公路-Ⅰ級作為橋梁荷載，工程實際施工期間，針對合攏段的施工，溫度建議控制在15～20 ℃，整體升溫不應大于25 ℃，降溫時不應大于零下30 ℃。針對預應力孔道，設計的摩擦系數是0.17，孔道偏差應保持在0.001 5之內，鋼絞線松弛系數也要＜0.3，橋梁的支座所形成的不均勻沉降應維持在10～20 mm，掛籃施工期間，重量的最大值要＜1 000 kN，結束預應力張拉相關操作后，應及時采取錨固措施，且注意錨具的回縮量應＜6 mm[4]。

實際設計期間，主橋的上部結構劃分為234個單元，以55個施工階段作為整個橋梁建設過程展開施工模擬。對于最不利荷載的組合，箱梁上緣的應力最小值應為0.127 MPa，最大值應為17.2 MPa，下緣的應力最小值應為2.82 MPa，最大值應為15.8 MPa。

3.3 橋梁抗震設防方案

針對鋼筋混凝土結構的橋梁建筑，現階段應用最多的抗震體系包括兩種。其一，按延性設計，受地震災害影響時通過墩柱塑性變化，使得結構的使用壽命得以延長，將地震的能量耗散掉。針對此類結構，出現塑性變形的位置通常會設置于修復和檢查便捷性均較高的構件上。其二，按減隔震設計，基于地震災害影響，依靠上下結構相連的構件，如：支座、耗能裝置等，產生塑性變形，結構周期延長，對地震產生能量起到消耗和分散的作用，最終實現地震反應的減弱或者消除。

該項目中對于20 m及以下跨徑的預制板梁橋，支座采用橡膠支座，采用延性設計抗震體系，利用橋梁墩柱發生塑性變形耗散地震能量；對于20 m以上跨徑的預制箱梁橋，支座采用高阻尼減隔震支座和水平力分散型支座；對于現澆連續箱梁橋，采用摩擦擺支座。如表1所示。

表1 橋梁抗震設防體系

4 結語

預應力橋梁結構設計時，要遵循因地制宜的原則，并根據相關單位提出的要求進行方案設計。橋梁設計期間，可參照其他國家先進技術，挑選適宜的設計方案，降低對后期施工或運營造成的不良影響，以確保橋梁結構的合理性，保證橋梁工程的整體質量，延長橋梁的使用壽命。