大跨预应力混凝土变截面斜交连续梁桥设计

陈辉

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

1 工程概况

南河大桥为眉山市环天府新区快速通道工程中的一座大桥，工程连接青龙镇工业大道与观寺镇三岔湖旅游环线。大桥所跨越之南河为规划Ⅶ级航道，桥位处通航净宽90 m，净高4.5 m，最高通航水位440.77 m，设计洪水频率为百年一遇。场地地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度7度。

2 总体布置

主桥上部结构采用75 m+125 m+75变高度预应力混凝土连续箱梁，桥面总宽44.5 m。横向分上下行双幅布置。为满足通航与行洪要求，主桥小桩号侧边墩和中墩需斜交布置，其中Pm09中墩采用斜交正做错墩布置，Pm08边墩采用斜交布置，斜交角度12°。错墩后左幅桥跨径布置为76.35 m+126 m+75 m，右幅桥跨径布置为73.65 m+124 m+75。图1为南河大桥主桥立面布置（以左幅为例）。

图1 南河大桥主桥立面布置图（单位：m）

3 主梁构造

主梁中支点梁高7.5 m（高跨比1/16.7），边支点和跨中梁高3.0 m（高跨比1/42），中跨跨中梁底平直段长2.0 m，边跨端部梁底平直段长11.6～14.3 m，梁高沿顺桥向按二次抛物线线形变化。主梁分上下行双幅布置，单幅宽22.25 m。主梁截面为单箱双室直腹板箱型截面，顶板宽22.09 m，底板宽14.29 m，顶板外侧留0.15 m宽与防撞护栏一同浇筑。箱梁顶底板均设置2%单向横坡。

箱梁顶板沿横桥向变厚度：挑臂端部厚20 m，挑臂根部厚55 cm，箱室中部厚26 cm。底板厚度由跨中处的30 cm按二次抛物线变化至中支点根部的90 cm。腹板厚度由跨中处的40 cm按线性变化至中支点处的100 cm。箱梁顶板横向挑臂长度3.9m。在支点处设置横梁，其中中支点横梁宽度为2.5 m，Pm11边支点横梁宽度1.5 m；Pm08边支点由于斜交导致横梁跨度增大，该横梁宽度采用1.6 m。箱梁中跨跨中处设置横隔板。结构材料采用C55混凝土，典型断面见图2。

箱梁采用悬臂浇筑施工，其中0#段长度为13 m，其他悬浇节段长3.0～4.0 m（单侧悬臂共分为16个悬浇节段），合龙段长2.0 m，边跨现浇段长10.6～12.3 m。

4 预应力布置

上部结构箱梁采用三向预应力体系。纵向、横向预应力钢束均采用高强度低松弛预应力钢绞线（钢绞线直径15.24 mm，抗拉强度fpk=1 860 MPa）。箱梁顶、底板纵向钢束采用12-15.2钢绞线束，其中墩顶处顶板束共计96束，中跨跨中底板束共计68束.为保证在剪力滞效应影响下发挥最大作用，顶底板钢束均布置于顶底板有效宽度范围之内。腹板钢束采用9-15.2钢绞线束，每道腹板内横向布置双排，钢束中心至腹板侧边缘维持12 cm间距，并通过横弯锚固于腹板中心线处。腹板束共计90束。竖向预应力采用精轧螺纹钢筋，抗拉强度fpk=785 MPa，布置于腹板内，在顶板上进行单端张拉，纵向标准间距0.5 m。为改善桥面板受力，箱梁顶板设置横向预应力，采用3-15.2钢绞线束，纵向标准间距0.5 m，采用两端张拉。箱梁预应力钢束断面见图3。

图2 箱梁横断面布置图（单位：cm）

图3 纵向预应力钢束断面布置图

5 纵向应力验算

采用midas Civil（8.3.2）软件对主梁进行纵向静力分析，按全预应力构件计算。按照主梁悬臂施工顺序，将计算模型划分为57个施工阶段，对施工、运营阶段受力进行模拟计算。计算过程中考虑的荷载包括自重、预应力、施工临时荷载（挂篮、压重等）、汽车荷载、温度荷载、支座不均匀沉降、收缩徐变（包括收缩徐变引起的预应力损失）等，并考虑了施工过程中体系转换的影响。主梁有限元计算模型见图4。

图4 主梁有限元计算模型

对全预应力混凝土构件，在作用短期效应组合下，混凝土正截面不出现拉应力；在作用标准值效应组合下，混凝土正截面的压应力不大于0.5fck=17.75 MPa。本桥主要截面应力控制遵循以下原则：（1）对跨中截面，由于存在预应力锚固、锚块刚度突变等情况，箱梁截面局部应力会大于杆系模型计算结果。根据以往经验，跨中截面在作用短期效应组合下需保留2～3 MPa压应力储备；在作用标准值效应组合下压应力应留有4 MPa左右富余空间，即最大压应力按不大于13.75 MPa控制。（2）对中支点截面，由于不存在前述导致应力集中的情况，且计算时未考虑支点负弯矩削峰，因此应力以满足规范要求为控制标准。

根据有限元模型计算结果，主梁关键截面应力验算结果见表1。主梁应力计算结果符合预定的应力控制原则。

表1 主梁关键截面应力验算结果

6 箱梁横向框架验算

箱梁为单箱双室截面，箱梁横向框架采用桥梁博士V3.5版进行计算。取跨中截面1.0 m宽箱梁结构建立框架模型，在每道腹板位置设竖向支撑，顶板、腹板和底板均采用梁单元模拟。计算荷载考虑恒载（框架自重及二期）、车辆荷载、体系升降温、顶板梯度升降温等，同时考虑箱室内外温差效应（顶底板及边腹板内外边缘温差按±5℃考虑）。计算模型见图5。

图5 箱梁横向框架计算模型

箱梁顶板按A类预应力混凝土构件设计。根据顶板内力分布，基本组合下顶板挑臂根部负弯矩达到767 kN·m，而箱室范围内的顶板正弯矩只有60 kN·m，因此顶板横向预应力采用直线布置，钢束中心距离顶板上缘9 cm。根据计算结果，顶板在短期效应组合下最大拉应力为0.91 MPa＜ftk=1.92 MPa，挑臂根部最大抗弯承载能力795kN·m＞767 kN·m，满足规范要求。

箱梁腹板和底板按钢筋混凝土构件设计。由于边腹板内侧和中腹板两侧在最不利工况下承载能力不足，在原有腹板箍筋基础上，边腹板内侧和中腹板两侧各增设一根ø16 mm竖向钢筋。增设钢筋后，腹板和底板截面承载力满足要求，最大裂缝宽度0.17 mm，满足规范要求。腹板增设钢筋见图6。

图6 箱梁腹板增设钢筋示意

7 梁端斜交相关问题处理

南河大桥Pm08边墩采用斜交布置，斜交角12°。主梁悬浇段和边跨合拢段均采用正交节段，Pm08墩侧的边跨现浇段端横梁采用斜交布置。为验证箱梁端部斜交导致的左右侧腹板受力不均匀程度，设计过程中分别采用单梁模型和梁格模型进行计算。根据计算结果，当边跨底板预应力束横向对称布置时，梁格模型锐角侧和钝角侧腹板下缘短期效应组合最小压应力分别为2.1 MPa和3.2 MPa，与单梁模型计算的截面下缘最小压应力2.6 MPa仅相差0.5 MPa左右。可以认为，箱梁端部斜交12°对箱梁横向受力不均匀性影响较小，边跨底板预应力束横向对称布置可以满足要求。

对于常规斜交梁桥，斜交支承处的反力分布不均匀，钝角侧的支反力会比正交梁桥大，而锐角侧的支反力较小甚至出现负反力[3]。南河大桥Pm08墩横向设置双支座，支反力计算结果见表2。

表2 斜交梁端支反力汇总

从表2可知，在成桥状态和标准组合下，单梁模型和梁格模型计算的锐角侧支反力均大于钝角侧支反力。这是由于悬臂浇筑施工方法使得结构大部分自重反力集中在中支点，边支点自重支反力只占中支点的1/10左右[2]（南河大桥成桥自重反力为边支点9 163 kN，中支点94 300 kN）；虽然自重工况下梁端钝角侧支反力大于锐角侧，但反力绝对值较小；在边跨合拢段预应力钢束的二次效应作用下，会使锐角侧支反力增大、钝角侧支反力减小，且变化幅度相对较大（见表3）。因此，成桥状态下锐角侧支反力大于钝角侧支反力。这种异于常规斜交桥受力规律的现象需要在以后类似工程设计过程中引起注意。

表3 斜交梁端支反力分项计算结果

8 结语

本文通过对大跨径预应力混凝土悬臂浇筑斜交连续梁桥的总体布置、主梁构造、预应力布置、箱梁纵横向受力、斜交端部支反力分配等问题进行总结与探讨，可以为后续同类型桥梁设计提供一定参考。