大跨PC连续刚构桥设计要点与案例分析

覃扬韬 周群 杨雨晨

摘要：针对大跨PC连续刚构桥设计中的重点和难点，文章以某（45+2×80+45） m大跨PC连续刚构桥为工程背景，在统计国内多个设计实例的基础上，总结笔者多年设计经验，对大跨PC连续刚构桥设计中的结构参数拟定、结构预应力设计、结构分析计算等多个设计要点进行了全面的分析与研究，为此类桥梁设计提供参考与借鉴。

关键词：桥梁工程;连续刚构桥;参数拟定;结构计算;设计要点

0 引言

刚构桥以其良好的结构整体性能、较大的抗扭刚度、较优的抗震性能等特性，在300 m跨径内极具优势地成为主流桥梁结构体系之一，尤其在深沟峡谷或通航河道等地区得到广泛应用[1-4]。

随着国内外大量大跨PC连续刚构桥的建成，业内人士不断总结该桥型的经验参数，各构造尺寸逐渐在业内形成了一定的取值范围[5-7]，针对刚构桥设计中的重点和难点，设计师们结合各桥不同的特点，也总结了不少设计经验[8-9]。

本文以某（45+2×80+45） m刚构桥为背景，统计设计多个实例，总结笔者多年设计经验，对大跨PC连续刚构桥设计中的参数拟定、预应力设计、结构计算等多个设计重点和难点进行了全面的分析与研究，为此类桥梁设计提供参考与借鉴。

1 工程概况

背景工程位于广西东南部，跨越浔江的一条支流，该河道全长196 km，流域面积4 000 km2，桥址处河面宽约185 m，水深约6～8 m。河道顺直、水流较缓，河岸两侧地形平坦，下伏基岩为中风化泥质粉砂岩，场地地质稳定。

受水位、航道的影响，以服从通航要求为主，主桥跨径设定为2×80 m。经方案比选和方案审查，根据桥位处的地形、地貌、通航要求、水文等因素，主桥上部结构采用（45+2×80+45） m预应力混凝土连续刚构箱梁，边、主跨比为0.562 5。考虑到城镇远景综合交通规划总体布置与自然条件的协调，两侧引桥各采用（2×30） m预应力混凝土小箱梁。主墩设计成双薄壁墩，桩基础。

2 结构尺寸分析与拟定

刚构桥在结构尺寸拟定前需重视设计资料的收集，为尺寸拟定提供依据。结合桥址处地形地貌，对桥址的平、纵、横断面进行勘测。调查桥址处水文和地质等资料，通航河道需进行必要的行洪分析和通航论证。

2.1 主梁尺寸分析与拟定

据统计，刚构桥边主跨比一般在0.52～0.58间，此值过小可能会导致边墩负压力的出现，过大则导致边跨现浇段过长，使边跨现浇段施工较为困难，尤其在一些跨峡谷的山区，在无法搭设边跨现浇段支架的情况下，一般会把此值取得相对较小，选择在边墩上搭设悬臂现浇段支架。

为减轻结构自重，方便施工，连续刚构类桥梁一般采用抗扭刚度大的箱形截面，梁底线形通常选用抛物线，从而与弯矩图相适应，当桥梁宽度<20 m时常采用单箱单室截面。

通常情况下：

h支=（1/15～1/20）L

h中=（1/30～1/50）L

为减轻结构自重，往往跨径越大取值越小。有时为了增加主梁刚度，改善主梁应力状态，也可适当增加梁高。

顶板顺桥向一般为等厚，满足横向预应力筋的构造要求，腹板厚度一般在（1/4～3/8）L处加厚腹板，总厚度一般约为桥宽的1/10。

单箱室底板宽度一般为桥面宽度的1/2，翼板宽度一般为箱室宽的1/2。在不设横向预应力筋时，宜控制在3 m内。见图1。

本桥主梁形式为单箱单室，顶宽12.5 m，底宽6.5 m，翼板宽3.0 m，支点梁高5.1 m，高跨比为1/15.7，跨中梁高2.6 m，高跨比为1/30.8。梁底曲线方程为y=2.6+0.001 876 5x2。

顶板等厚28 cm，腹板厚度由45 cm渐变至60 cm，底板厚度由30 cm按2.0次抛物线渐变渐变至60 cm。

2.2 主墩尺寸分析与拟定

刚构桥主墩一般均设计得较柔，主要形式有单肢、双肢实体式、薄壁空心式等。据统计，当跨径L在80～160 m之间，墩高50 m>H>L/10 m时，一般采用双肢薄壁墩，墩中距一般为墩高的1/5～1/4且与主梁高度相近，墩厚一般取墩中距的1/6～1/4，与梁高之比一般为0.15～0.25。也可采用b=1.340 2-0.086 4S+0.081 6 H+0.01这一统计回归公式（S-双肢间距，H-墩高，L-主跨径）。

本桥主墩设计为双薄壁实心墩，墩高19.0 m，墩厚1.0 m，肢间距4.0 m，宽6.5 m。

3 结构预应力分析与设计

刚构桥跨径的不同，配束的原则和方法也有些许区别，但总体上基本一致。一般情况下在运营阶段，主梁按全预应力构件设计，跨中下缘压应力值宜≥（1+L/100）MPa（L-主跨径，m）。

纵向腹板束锚固点一般设置在截面竖向高度1/2偏下附近。当然，对于梁高较高的截面，一般考虑施工方便，也会相对再靠下一些。顶板束锚固点一般设置腹板顶承托中。此外，纵向束布置应综合分析考虑与竖向束、横向束及普通钢筋间的位置重叠，并考虑管道净距和锚固間距的合理取值。

竖向预应力束一般采用预应力螺纹钢筋，梁高>6 m时可采用钢绞线。为了改善墩与梁固结处的受力，可把竖向预应力筋伸入至墩身内。

横向预应力束由横向受力情况和相关构造要求进行设置。

本桥为三向预应力体系，包括纵向、竖向和横向三种预应力束。

纵向预应力有F-腹板束、T-顶板悬浇束、B-边底板合龙束、M-中底板合龙束、D-边顶板合龙束、Z-中顶板合龙束Y-备用束等，弯曲半径为800～1 000 cm。

本桥纵向束采用钢绞线，一共设计了有两种形式12-7s15.2、15-7s15.2。竖向束为JL32精轧螺纹钢筋束，横向束为3-7s15.2钢绞线。

4 结构分析计算

4.1 结构作用概况

据《公路桥涵设计通用规范》[11]，本桥计算跨径取75 m，结构重要性系数取1.1。主梁为C55混凝土，桥面二期恒载共计69.45 kN/m。结构设计合龙温度设定为15 ℃～20 ℃，体系升温按+25 ℃计，体系降温按-15 ℃计。活载（公路Ⅰ级及人群荷载）及非线性温度变化按通用规范规定进行加载。

4.2 结构有限元模型简介

本桥采用桥梁通用计算软件MIDAS Civil 2019进行建模，结构单元均采用梁单元模拟，共166个梁单元，177个节点，边支点与主梁节点、主墩顶与主梁节点为弹性连接（刚性）。见图2。

4.3 主梁分析计算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（G 3362-2018）[12]对主梁进行各项计算，主要分析计算要点如下。

4.3.1 持久状况承载能力极限状态计算

基本组合作用下主梁1/2结构抗弯计算结果如图3所示。

基本组合作用下主梁1/2结构抗剪计算结果如图4所示。

分析图3、图4可知，荷载基本组合作用下，主梁截面抗力均大于其组合设计内力，即主梁截面抗弯、抗剪满足规范要求。

4.3.2 持久状况正常使用极限状态计算

频率组合作用下主梁1/2结构斜截面抗裂计算结果如图5所示。

分析图5可知，在荷载频率组合作用下，主梁斜截面最大主拉应力为-0.15 MPa，即主梁斜截面抗裂满足规范要求。

4.3.3 持久状况和短暂状况构件的应力计算

标准组合作用下主梁1/2结构斜截面抗压计算结果如图6所示。

分析图6可知，在标准荷载组合作用下，主梁斜截面混凝土最大主压应力为15.777 MPa，即主梁斜截面抗压满足规范要求。

施工荷载作用下主梁1/2结构斜截面抗压计算结果如图7所示。

分析图7可知，在施工荷载组合作用下，主梁截面在施工阶段中的最大压应力为12.781 MPa，最大拉应力为0.232 MPa，同时，预拉区配置有配筋率≥0.2%的纵向钢筋，即施工阶段主梁边缘混凝土法向拉、压应力验算均满足规范要求。

4.4 主墩分析计算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（G 3362-2018）[12]对主墩进行各项计算，主要计算要点如表1、表2所示。

分析表1、表2可知，主墩承载力及抗裂设计均满足规范要求。

5 结语

大跨PC连续刚构桥结构参数拟定、预应力设计、结构分析计算等一直是此类桥梁设计的重点和难点，本文以某（45+2×80+45）m刚构桥为背景，在统计国内多个设计实例的基础上，总结笔者多年设计经验，对大跨PC连续刚构桥设计中的参数拟定、预应力设计、结构计算等多个设计重点和难点进行了全面的分析与研究，基本概括了该类桥梁在设计过程中的设计要点，可为该类桥梁的设计提供参考借鉴。

[1]刘效尧，徐 岳.公路桥涵设计手册.梁桥（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]管锡琨，张 涵，齐振国.山区高墩大跨连续刚构桥设计[J].黑龙江交通科技，2019（5）：102-103.

[3]鄢芳华，彭顺显.山区高墩大跨连续刚构桥设计[J].公路，2018（9）：144-147.

[4]孙晋莉，张 程.63 m+100 m+63 m连续刚构桥总体设计及分析[J].工程设计，2018（10）：147-148.

[5]徐刚年，王有志，安 然，等.变截面刚构桥主梁几何参数统计分析[J].山东建筑大学学报，2017，32（2）：137-143.

[6]李艺林，杨秀荣，刘 英.连续刚构桥高跨比参数线性关系分析[J].河南城建学院学报，2016，25（6）：26-30.

[7]王会利，谢常领，秦泗凤，等.中国连续刚构桥的调查与分析[J].中外公路，2019，39（2）：129-134.

[8]楊 峰.变截面预应力连续刚构桥的设计[J].城市道桥与防洪，2017（3）：108-111.

[9]汪家纬.大跨度预应力混凝土连续刚构桥设计要点及案例[J].公路交通科技，2018（10）：198-202.

[10]G D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].

[11]G 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

作者简介：覃扬韬（1984—），工程师，主要从事道路桥梁工程设计工作。