大跨单箱单室预应力连续刚构设计探讨

万　麟　陈冠桦

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

大跨单箱单室预应力连续刚构设计探讨

万麟陈冠桦

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要兰海高速贵州境遵义至贵阳段扩容工程中的连续刚构，单幅桥梁宽度16.5～16.75 m，采用宽箱大悬臂形式的单箱单室断面，通过计算发现采用常规的结构尺寸及预应力设置已不能满足结构受力要求，应从梁高、腹板宽度、顶板厚度、预应力钢束布置、跨中挠度控制等方面做一些调整。文中从设计构造及计算方面对该类型的预应力连续刚构设计进行总结。

关键词连续刚构大跨宽桥单箱单室箱梁

随着经济建设的不断发展，早期建成的高速公路越来越不能满足日益增长的交通量需要，现在高速公路建设均朝着多车道、设计车速较高的方向发展。连续刚构为山区公路经常采用的一种结构形式，其重要性在山区公路中非常突出。兰海国家高速公路遵义至贵阳段扩容工程位于贵州省遵义市和贵阳市境内，是国家高速公路网的组成部分，是西南出海大通道的重要组成部分，路线全长101.193 km，按双向6车道高速公路标准建设，设计速度v=100 km/h，路基宽度33.5 m。本路线共有连续刚构桥梁4座，分别为主跨180 m的银厂河特大桥、主跨200 m的长滩河特大桥和新田坡特大桥、主跨为160 m的柿花寨特大桥。桥梁上部箱梁均采用单箱单室的挂篮悬浇箱梁断面形式，箱宽为16.5～16.75 m。目前这种宽度的连续刚构公路桥梁不是很多，按常规结构尺寸及预应力布置已不能满足规范要求，本文选取具有一般连续刚构桥梁特点的银厂河特大桥为例，从设计方面对宽幅单箱单室预应力连续刚构设计做一些探讨[1]。

2.2外荷载与裂缝发展趋势的关系

结构裂缝一直是工程界关心的热点问题，预应力混凝土梁开裂后，由于裂缝的存在，中性轴会发生移动，开裂区截面弯曲刚度减小，从而造成截面应力的重分布，可能导致控制界面的转移，所以开裂损伤对结构的内力影响分析是及其复杂的。梁体开裂荷载为850 kN，首先在梁体跨中出现垂直裂缝；随着荷载的增加，陆续出现多条处置裂缝，而且分布均匀，随着荷载的增加，开始出现斜裂缝，而且由跨中向加载点附近扩散，并且，裂缝的扩散趋势不断向着梁顶发展，2 900 kN时裂缝贯穿，梁体破坏。

3　结语

(1) 采用非线性有限元理论研究了单调加载方式下有粘结预应力混凝土T型梁的受力性能，模型在考虑材料、几何非线性的前提下能够深入揭示混凝土和预应力筋内力变化，应力变化计算结果与试验结果吻合较好，从而验证了模型中采用的单元类型、材料本构和破坏准则的可行性和合理性，也进一步明确了预应力混凝土T梁的力学性能和工作机理，为理论分析提供了参考依据。

(2) 由于ANSYS单元特性的局限，不能对裂缝的发展有一个精确的模拟，只能预测裂缝的发展趋势。

参考文献

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[5]胡志坚,王云阳,胡钊芳,等.预应力混凝土梁开裂后抗弯刚度试验研究[J].桥梁建设,2012,42(5):37-42.

[6]孟刚,贾金青,刘春梅.预应力超高强混凝土梁抗弯性能试验研究[J]. 武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2013(6):1235-1238.

1　桥梁布置及构造

银厂河特大桥为贵州境遵义至贵阳段扩容工程第5合同一座特大桥，主桥为96 m+180 m+96 m预应力混凝土连续刚构，最大墩高90 m，单幅桥梁宽度16.5 m。见图1。

图1　主桥桥型布置图(单位：cm)

1.1主桥上部箱梁结构

上部箱梁为变截面单箱单室断面，箱顶宽16.5 m，底宽8 m，箱梁顶面设单向2.0%的横坡，材料为C55混凝土。

(1) 箱梁高度。0号梁段梁高为11.6 m，现浇段和合龙段梁高均为4.2 m，其间梁底下缘曲线按1.8次方抛物线变化。

(2) 箱梁截面顶板跨中厚度。0号梁段为60 cm，1号梁段由120 cm渐变为46 cm，2号～20号段梁段为46 cm(见图2)，边跨合龙梁段及现浇段由46 cm直线渐变为120 cm，梁端支承段为120 cm，中跨合龙梁段为46 cm。

(3) 箱梁底板厚度。0号梁段墩身范围为150 cm，中跨合龙段为32 cm，边跨合龙段由32 cm渐变至51.2 cm，边跨现浇段由51.2 cm渐变至80 cm，现浇梁端支承段为80 cm，根部至合龙段底板厚度按1.8次方抛物线由130 cm渐变至32 cm。

(4) 箱梁腹板厚。墩身范围内的0号梁段为110 cm，1～12号梁段为100 cm(见图2)，13号梁段由100 cm渐变为80 cm，14号～20号梁段为80 cm(见图2)，边跨合龙段由80渐变为96 cm，现浇段由96渐变至120 cm，支撑处现浇段为120 cm，中跨合龙段为80 cm。

图2　箱梁标准横断面(单位:cm)

1.2桥墩及基础

主墩桥墩纵向由双肢薄壁墩组成，薄壁墩为矩形空心截面，横桥向9.5 m，顺桥向3.0 m，2片墩间净距为5 m，墩身上部端与箱梁0号梁段固接，下部端与承台固接。过渡墩为单箱单室箱墩，纵桥向宽4.2 m，横桥向宽9.5 m。主墩承台采用20.5 m×15 m×6 m矩形承台，过渡墩承台采用11.4 m×13.8 m×4 m矩形承台。主墩桩基均采用12根直径为2.2 m钻孔桩，过渡墩桩基单幅桥采用9根直径为1.8 m桩基，所有桩基按嵌岩桩设计。

1.3箱梁预应力布置

(1) 纵向预应力钢束。分为顶板束(T束)、腹板下弯束(W束)、中跨底板束(DZ束)、边跨底板束(DB束)、合龙段顶板合龙束(边跨LB束、中跨LZ束)及预留束(Y束、DBY束、DZY束)6类。纵向预应力采用公称直径15.20 mm的预应力钢绞线。其中每个腹板顶板束(T束)42束、腹板下弯束(W束)18束，中跨底板束(DZ束)20束，边跨底板束10束(DB束)，中跨合龙束(LZ束)2束，边跨底板束(LB束)6束。

(2) 横向预应力。采用公称直径15.20 mm的预应力钢绞线，每束3股钢绞线，设计张拉吨位531.2 kN，采用一端张拉方式。

(3) 竖向预应力。采用直径32 mm的PSB930精轧螺纹粗钢筋,精轧螺纹粗钢筋张拉控制应力σcon=0.9fpk。

2　桥梁结构分析

2.1计算模型及计算结果图

主桥纵向结构受力分析采用平面杆系，主梁离散为平面全预应力梁单元，计算程序采用桥梁博士V3.3.0，单元数为194，节点数为195，计算模型见图3，各种永久荷载和可变荷载按《公路桥涵设计通用规范》[2]执行，各种状态下结构纵向计算见图4～图7。

图3　计算模型

图4　最大正弯矩及负弯矩承载能力极限状态包络图

图5　短期效应组合下的正截面上、下缘最小正应力

图6　标准效应组合下的正截面上、下缘最大正应力

图7　短期效应组合下的正截面上、下缘最大主拉应力

2.2主要计算结果

(1) 箱梁持久状况正常使用极限状态正截面抗裂、斜截面抗裂计算，作用短期效应组合时，墩顶附近箱梁上缘正截面最小压应力为2.3 MPa，跨中下缘正截面最小压应力2.1 MPa，箱梁斜截面混凝土最大主拉应力-1.0 MPa(未考虑竖向预应力影响)。

(2) 箱梁使用阶段跨中挠度28.2 cm, 预加应力产生的长期向上挠度17.7 cm。

(3) 箱梁持久状况预应力混凝土构件正截面压应力及主压应力为17.5 MPa、预应力钢束的拉应力为1 202.8 MPa。

(4) 箱梁横向框架计算，短期效应组合悬臂最大拉应力1.3 MPa，跨中最大拉应力1.0 MPa。

以上计算结果均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[3]的要求。

3　结论

(1) 较宽的单箱单室预应力混凝土连续刚构梁高要比一般桥梁高，根部梁高按常规的(1/16～1/18)L[4]和跨中梁高按(1/50～1/60)L已不能满足要求，根部梁高建议按(1/14～1/15)L考虑，跨中梁高按(1/40～1/50)L考虑。

(2) 由于上部结构较重，主拉应力的最大值位置不是出现在常规桥梁的L/4变腹板厚度位置附近，而是出现在根部1号梁段处，箱梁腹板为满足抗剪和减小主拉应力，宽度建议按100～80 cm设置。

(3) 根据横向计算，顶板的厚度按常规的28～30 cm不能满足要求，应通过横向计算确定顶板厚度值。

(4) 预应力的钢束较一般桥梁用量较多，每方混凝土用量达到60～70 kg，结构尺寸拟定过程中应充分考虑预应力钢束的布置空间，尽量使用常规规格的钢束大小，根据受力特点布置合理的纵向钢束。

(5) 跨中挠度值较大，跨径较大的桥梁应设置后期使用的体外预应力构造措施。

(6) 根据本项目多座桥梁的多次试算和调整结果情况来看，桥梁宽度在17 m以内可以按单箱单室截面形式处理，大于17 m建议按单箱双室或采用分幅桥的结构形式处理，特别是20 m宽度以上的连续刚构桥梁，设计和施工均应采取特殊的措施，以保证结构施工过程和使用过程中的安全。

[1]王钧利,董旭.大型桥梁施工力学研究 [J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2010(5):949-952.

[2]JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3]JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[4]鲍卫刚,周永涛.预应力混凝土梁式桥梁设计与施工[M].北京：人民交通出版社,2009.

收稿日期：2015-04-13

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.003