某大跨径预应力混凝土连续刚构桥梁结构分析

胡海燕 吴 念

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司 武汉 430071)

1 工程概况

1.1 桥梁结构

某特大桥主桥上部结构采用70 m+120 m+70 m预应力混凝土(C55)变截面连续刚构箱梁，三向预应力结构，纵向按全预应力体系控制。箱梁断面为单箱双室截面，单幅顶宽17.25 m，底宽12.0 m，翼缘悬臂长2.625 m，桥面设单向2%的横坡。

连续箱梁中跨墩顶支点处梁高7.5 m，跨中最小梁高为3.0 m，跨中梁高与跨径之比为1/40，支点处梁高与跨径之比为1/16，跨中梁高与支点处梁高之比为1/2.5。底板采用变厚度布置，由支点向跨中逐渐减少，支点处厚度为80 cm，跨中厚度为30 cm。梁底板下缘为1.7次抛物线；顶板厚度为30 cm，1-4号节段顶板厚50 cm；腹板厚度由支点向跨中由85～50 cm渐次变化。

箱梁0号节段长12 m,每个悬浇“T”纵向对称划分为15个节段，梁段数及梁段长从根部至跨中分别为7×3.0 m、8×4.0 m,节段悬浇总长53 m。悬浇节段最大控制重量2 546 kN,挂篮设计自重1 100 kN。边、中跨合龙段长均为2 m，边跨现浇段长6.84 m。箱梁根部设2道厚1.2 m的横隔板，中跨跨中设1道厚0.6 m的横隔板,墩顶箱梁横断面示意见图1。

图1 墩顶箱梁横断面图(单位：cm)

在箱梁中配有纵、横、竖三向预应力，预应力钢筋采用Φs15.2钢绞线和JL32精轧螺纹粗钢筋。

主墩采用薄壁空心墩，纵桥向长为5.0 m，横桥向宽12.0 m，主墩承台厚4.5 m。主墩基础采用9根直径2.0 m钻孔灌注桩。

1.2 设计技术标准

1) 计算行车速度：80 km/h。

2) 设计荷载：公路-I级。

3) 地震烈度：地震动峰值加速度小于0.05g。

2 桥跨布置

桥跨布置为20×40 m+70 m+120 m+70 m+4×38 m+30 m+50 m+33 m +5×33 m，主桥跨采用变截面预应力混凝土连续刚构箱梁；跨堤联采用现浇预应力混凝土箱梁，见图2。

图2 某特大桥主桥桥型布置(单位：cm)

3 主桥结构模型与参数取值

主桥纵向计算采用midas Civil程序进行。结构单元采用梁单元模拟，见图3。

图3 主桥结构分析模型

主桥箱梁划分79个单元，桥墩35个单元。

计算参数取值如下。

1) 恒载。一期恒载：主梁混凝土容重26 kN/m3；二期恒载：沥青铺装容重24 kN/m3，现浇层、防撞护栏混凝土容重25 kN/m3，人行道荷载15.84 kN/m。

2) 整体升降温。系统升温：30 ℃；系统降温：-30 ℃。

3) 梁截面温度。按JTG D60-2015 《公路桥涵设计通用规范》第4.3.12条执行[1]。

4) 徐变收缩。按JTG D62-2004 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》执行[2]。

5) 基础变位。基础不均匀沉降20 mm(主墩)，过渡墩未考虑不均匀沉降。

6) 可变荷载。活载：汽车荷载，桥梁等级为公路-Ⅰ级；对于汽车荷载纵向整体冲击系数μ，按照《公路桥涵通用设计规范》第4.3.2条，冲击系数μ可按下式计算

当f<1.5 Hz时，μ=0.05；

当1.5 Hz≤f≤14 Hz时，μ=0.176 lnf-0.015 7；

当f>14 Hz时，μ=0.45。

7) 人群活载。人群活载按照《公路桥涵通用设计规范》第4.3.6条取值。

4 计算结果分析

计算结果分析包括：钢束永存预应力[3]分析、使用阶段正截面抗裂分析、使用阶段斜截面抗裂分析、使用阶段正截面压应力分析、使用阶段斜截面主压应力分析、使用阶段正截面抗弯承载力分析、使用阶段斜截面抗剪承载力分析、基础不均匀沉降计算分析[4-5]。由于本桥单元数目较多，为了保证分析结果具有针对性和代表性，分析过程中，选取主梁主要控制截面结果进行对比分析。结果分析中，选取的梁单元截面包括：边支点附近(4号单元)、边跨跨中位置(11号单元)、根部0号块附近截面(21、25号单元)、中跨1/4位置(34号单元)、中跨跨中位置(39号单元)。此外，基础不均匀沉降对结构的影响亦进行了简要分析。

1) 钢束永存预应力计算分析。计算结果对比见表1。

表1 钢束应力计算结果 MPa

计算结果表明：考虑钢束平弯，在短期效应作用下，钢束应力值由于预应力损失，实际有效钢束应力值较不考虑平弯小。

2) 使用阶段正截面抗裂分析。计算结果对比见表2。

表2 正截面抗裂计算结果

计算结果表明：考虑钢束平弯，正截面抗裂应力值较不考虑平弯小。

3) 使用阶段斜截面抗裂分析。计算结果对比见表3。

表3 斜截面抗裂计算结果

计算结果表明：钢束平弯对斜截面抗裂基本无影响。

4) 使用阶段正截面压应力分析。计算结果对比见表4。

表4 正截面压应力计算结果

计算结果表明：考虑钢束平弯，正截面压应力值较不考虑平弯小。

5) 使用阶段斜截面主压应力分析。计算结果对比见表5。

表5 斜截面主压应力计算结果

计算结果表明：考虑钢束平弯，斜截面主压应力值较不考虑平弯小。

6) 使用阶段正截面抗弯承载力分析。计算结果对比见表6。

表6 正截面抗弯计算结果

计算结果表明：考虑钢束平弯，正截面抗弯承载力值较不考虑平弯小。特别是中跨1/4位置影响较大。

7) 使用阶段斜截面抗剪承载力分析。计算结果对比见表7。

表7 斜截面抗剪计算结果

计算结果表明：钢束平弯对斜截面抗剪基本无影响。

8) 基础不均匀沉降计算分析。

①基础不均匀沉降对梁单元产生的弯矩，见图4。

图4 基础不均匀沉降对梁单元产生的弯矩

结果显示，沉降对主梁产生的最大弯矩为41 916 kN·m。

②基础不均匀沉降对梁单元产生的应力，见图5。

图5 基础不均匀沉降对梁单元产生的应力

结果显示，沉降对主梁产生的最大应力为0.99 MPa。

③基础不均匀沉降对主墩墩顶产生的位移，见图6。

图6 基础不均匀沉降对主墩墩顶产生的位移

结果显示，沉降对主墩墩顶产生的最大位移为0.58 mm。

由此可见，不均匀沉降对结构内力、应力及墩顶位移有一定影响，但不是控制设计的主要因素。

5 结语

通过对2个计算模型的结果进行对比分析可知,钢束平弯主要对钢束永存有效应力有一定影响;钢束平弯对主梁正截面压应力、斜截面主压应力影响较大。不均匀沉降对结构有一定影响，但不控制设计。

在今后的设计中，对钢束的平弯应引起高度的重视，特别是在桥梁结构设计向精细化发展的大趋势下，本文的分析结论可为类似桥梁的设计提供一定的参考。