非对称三跨预应力变截面连续箱梁简化设计研究

鲁 聪 杨阿龙

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051)

1 工程概况

207国道公安县埠河至南平段是公安县的南北向交通动脉，起于埠河镇，止于章庄铺镇，长约82.8 km，为双向四车道一级公路，设计速度为80 km/h，荷载等级为公路-I级。本项目虎渡河大桥在公安县夹竹园镇跨越虎渡河，虎渡河是天然河流，航道等级为规划III级航道，河道内主航道净宽不小于128 m，其左堤为II级堤防，右堤为III级堤防。

遵循技术可行、结构安全、经济美观、利于环保且与地形、地物协调的原则，并综合考虑地形、地质、通航、防洪、填土高度，以及施工条件，研究了虎渡河大桥主桥78 m+146 m+93 m非对称三跨预应力变截面连续箱梁方案，桥型图布置见图1。

图1 78 m+146 m+93 m变截面连续箱梁桥型布置图(单位：高程，m；尺寸，cm)

2 桥梁设计

预应力变截面连续梁结构体系具有变形小、结构刚度好、养护简单，以及施工工艺成熟等特点，在40～150 m跨径范围内具有较大竞争优势[1-3]，设计时多采用对称结构，现有参考设计资料丰富，而非对称三跨预应力变截面连续箱梁不同跨径梁段结构受力有明显的不同[4]，在体系转换过程中对悬臂标高控制较复杂[5]，且资料相对较少。在满足规范要求的前提下，为提高预应力连续箱梁的经济性，设计人员需要反复试算来优化截面尺寸及预应力钢束布置，设计效率较低，设计成本较高。为简化设计，可采用与对称连续箱梁相同构造尺寸[6]。

目前有78 m+146 m+78 m连续箱梁设计图纸，而78 m+146 m+93 m连续箱梁与78 m+146 m+78 m变截面连续箱梁仅一侧边跨长度不同，通过研究对比荷载作用基本组合下两者内力差异，分析非对称连续箱梁中对应的相同跨径梁段是否可参考对称连续箱梁进行预应力钢束设计，以此提高设计效率，缩短设计时间，节约设计成本。

2.1 主梁结构

78 m+146 m+93 m连续箱梁与78 m+146 m+78 m连续箱梁采用C50单箱单室箱梁，箱梁根部梁高8.5 m，跨中梁高3.0 m，顶板厚28 cm，底板厚从跨中至根部由28 cm变化为120 cm，腹板从跨中至根部分段采用45，70，90 cm 3种厚度，箱梁高度和底板厚度按1.8次抛物线变化。箱梁顶板横向宽12.24 m，箱底宽6.5 m，翼缘悬臂长2.87 m，78 m边跨现浇段长3.8 m，93 m边跨现浇段长18.8 m。

78 m+146 m+93 m、78 m+146 m+78 m变截面连续箱梁按全预应力混凝土设计，采用纵、横、竖三向预应力体系[7]，纵、横向采用φs15.2高强度低松弛钢绞线，箱梁竖向预应力采用φT32螺纹钢筋。施工采用挂篮对称悬臂施工方案[8]。

2.2 承载能力极限状态受力差异分析

利用桥梁博士有限元软件建模分析，78 m+146 m+93 m、78 m+146 m+78 m连续箱梁分别划分为118，114个单元，计算模型见图2，挂篮对称悬臂施工，恒载、预应力荷载、施工荷载、活载、温度荷载、收缩徐变、基础沉降等效应根据规范中规定进行组合[9]。

图2 连续箱梁计算模型

78 m+146 m+93 m、78 m+146 m+78 m连续箱梁在承载能力极限状态下作用基本组合的效应设计值比较见图3。

图3 基本组合弯矩设计值比较图

由图3可知，78 m+146 m+93 m连续箱梁起点至第三跨1/4分点段的梁单元最大、最小弯矩值与78 m+146 m+78 m基本一致，最大差值位于第一中支点处，从第三跨1/4分点开始，由于93 m边跨长度的增加，相应恒载、活载等均增大，导致弯矩设计值差异增加，最大差值位于第三跨约3/4分点处。基本组合下效应设计值比较见表1。

表1 基本组合下效应设计值比较表

2.3 边跨预应力钢束优化设计

在荷载作用基本组合下，78 m+146 m+93 m连续箱梁与78 m+146 m+78 m连续箱梁的78，146 m梁段的内力基本相同，该梁段的预应力钢束布置可参考78 m+146 m+78 m连续箱梁进行布置，93 m边跨预应力钢束可参考78 m边跨进行布置后，再经结构计算后调整以满足规范要求。

原78 m边跨合龙顶板采用共计6束φs15.2-15预应力钢束，底板采用共计8束φs15.2-15预应力钢束。经计算，93 m边跨需将合龙段顶板调整为共计10束φs15.2-15预应力钢束，底板采用共计20束φs15.2-15预应力钢束。

2.4 正常使用极限状态设计

93 m边跨合龙预应力钢束调整后，频遇组合下78 m+146 m+93 m连续箱梁结构与78 m+146 m+78 m连续箱梁正截面最大拉应力、主截面最大拉应力最大差值见表2。

表2 频遇组合下效应设计值最大差值表 MPa

由表2可知，93 m边跨合龙预应力钢束调整对第一跨、第二跨结构截面拉应力分布有一定影响，对第三跨结构截面拉应力分布影响较大。结构计算均满足规范抗裂要求。

93 m边跨合龙预应力钢束调整后，标准组合下78 m+146 m+93 m连续箱梁结构与78 m+146 m+78 m连续箱梁正截面最大压应力、主截面最大压应力最大差值见表3。

表3 标准组合下效应设计值最大差值表 MPa

由表3可知， 93 m边跨合龙预应力钢束调整对第一跨、第二跨结构截面压应力分布有一定影响，对第三跨结构截面压应力分布影响较大。结构计算均满足规范压应力要求。

3 主桥施工方案

本桥主桥为预应力混凝土变截面连续箱梁，常规施工方案有挂篮施工、满堂支架施工。综合考虑施工难度、施工周期、经济型及施工对河道影响等因素，初拟采用挂篮施工方案，施工工序如下。

箱梁0号块件采用支架施工，为确保悬臂施工状态的安全，经对施工阶段的验算，需在0号段两端分别用托架或支架作为悬臂施工状态的临时固结支撑体系。待全桥合龙后，拆除临时支撑体系。拆除时保证平稳、对称、均衡进行，全部拆除工作确保无损箱梁及桥墩的结构与外观。箱梁0号节段施工完成后，在其上面拼装悬浇挂篮。主桥箱梁采用先边跨后中跨的合龙顺序，边、中跨合龙段采用吊架施工。箱梁0号节段长10 m，每个悬浇“T”纵向对称划分为21个节段，梁段数及梁段长从根部至跨中分别为4×2.5 m、11×3.0 m、6×4.0 m，施工方案示意图见图4。

图4 挂篮悬浇施工方案示意

4 结语

通过以上结构计算结果对比分析可得如下结论。

1) 截面尺寸相同时，在基本组合下，78 m+146 m+93 m连续箱梁与78 m+146 m+78 m预应力连续箱梁的78，146 m梁段内力基本相同，93 m与78 m边跨梁段内力有较大差别。

2) 根据内力比较结果，78 m+146 m+93 m连续箱梁可参考78 m+146 m+78 m连续箱梁布置预应力钢束，仅通过调整93 m边跨合龙预应力钢束即可满足规范结构受力要求。

3) 93 m边跨合龙预应力钢束调整后，对结构各梁段正截面、主截面拉压应力分布均有一定影响，其中对93 m边跨结构应力分布影响较大。

现在由于河流通航、防洪等要求日益严格，经常出现对称预应力连续箱梁难以兼顾布跨可行性和经济性的问题，适当采用非对称预应力连续箱梁可有效解决这个问题，而通过参考现有对称连续箱梁资料中预应力钢束布置并适当优化，有利于提高设计效率，缩短设计时间，节约设计成本。