大石田特大桥主梁结构整体静力分析

王 波

中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097

1 工程背景及概况

拟建大石田特大桥位于大石田村，桥梁起点接坳仔坑隧道，终点接春湾互通，桥位所在路线平面为分离式路基，按上下行两座独立桥梁进行设计，跨越山间冲沟谷地，桥面至冲沟底高达120m，地形较为陡峭；桥型方案设计时要避免过多的桥墩落在谷底，尽量减少高墩数量、减小主跨跨径。

2 主桥结构设计

大石田特大桥左右线桥宽均为16.5m，左线桥跨布置：[12×39+(92+2×170+92)+3×39]m；右线桥跨布置：[5×42+5×40+(92+2×170+92)+3×39]m；主桥采用PC 变截面连续刚构，引桥采用39m、40m、42m 先简支后结构连续T 梁；主墩采用单肢空心薄壁墩，最高墩高99.7m，主墩壁厚1m，横桥向宽10.5m，顺桥向宽9.5m。承台采用21m×21m 矩形承台，厚5m，下设16 根直径为2.2m 的钻孔灌注桩基础，墩身采用C40 砼，承台、桩基采用C30 砼。（1）主梁。主梁采用C55 砼，箱梁顶、底面宽分别为16.5m、8.5m，悬臂4m。箱梁梁高、底板厚自根部至跨中按2 次抛物线变化，梁高的计算公式如下：

顶板厚32cm，腹板自根部至跨中分为3 段，厚度分别为90cm、75cm、55cm。箱梁0 号块长12m，纵向对称的3个悬浇T 构由19 个节段组成，由根部至跨中，节段划分为(4×3.5+7×4+8×4.5)m，节段悬浇总长78m。箱梁根部主墩顶设2 道1.5m 厚的横隔板，跨中横隔板厚0.5m，边跨梁端横隔板厚1.5m，其余部位不设横隔板，21’号梁段底板设有检修孔。箱梁断面底板水平，腹板铅直，顶板横坡为2%，横坡由内外侧腹板差实现。三向预应力束均使用Φs15.2mm钢铰线，纵向预应力钢束线型由平弯、竖弯构成，两端张拉；在箱梁顶面及0 号块横隔板布置横向预应力钢束，采用单端张拉；竖向预应力钢束布置在箱梁腹板内，在箱梁顶面单端张拉。（2）主墩。鉴于该桥主墩墩高均接近100m，采用单肢空心薄壁墩，墩顶线刚度较柔，可以适应变形的要求。山区高速公路，高墩常采用滑模或爬模施工，从施工的便捷性出发，综合地形、造价、施工等因素，结合定测验收意见，为减少基础规模，大石田特大桥主墩采用单肢空心薄壁墩。

3 主桥结构计算

（1）计算方法和内容。全桥结构整体计算采用平面杆系有限元理论，总体纵向静力计算采用桥梁博士（Dr.Bridge）3.6、Midas/Civil 2017 进行计算，相互校核计算，确保结构安全。全桥离散为294 个梁单元，其中上构主梁为154 个梁单元，下构桥墩为140 个梁单元，按照悬臂浇筑施工方式，共建立89 个施工阶段。桥梁博士（Dr.Bridge）3.6、Midas/Civil 2017 的整体结构计算有限元模型如图1、图2 所示。

图1 桥梁博士（Dr.Bridge）3.6 全桥结构计算模型

图2 Midas/Civil 2017 全桥结构计算模型

（2）计算荷载及参数。计算考虑恒载、汽车荷载、预应力、混凝土收缩徐变、基础不均匀沉降、温度、风荷载、制动力等荷载作用。主墩不均匀沉降取30cm，边墩取20cm。系统升、降温作用按照±25℃考虑，温度梯度根据规范取用。纵向顶板悬浇钢束采用M15-23，腹板下弯钢束采用M15-23、M15-21，边中跨顶底板连续束采用M15-21，张拉控制应力为0.72fpk（fpk为预应力钢束抗拉强度标准值）。一个张拉端锚固时弹性回缩合计变形取6mm，采用塑料波纹管，管道摩阻系数mu=0.25，局部偏差系数k=0.0015。顶板横向预应力钢束采用M15-3，间隔单端张拉，竖向预应力钢束采用M15-3，顶板处单端张拉，横竖向钢束张拉控制应力为0.75fpk；0 号块横隔板及腹板采用M15-5 预应力钢束，钢束张拉控制应力为0.75fpk。设计挂篮自重145t（含模板与机具），合拢吊架自重60t，中跨合龙前顶推力取值6240kN。

（3）主梁承载能力验算。在承载能力极限状态下，桥梁博士（Dr.Bridge）3.6、Midas/Civil 2017 计算的箱梁墩顶截面最大弯矩分别为2670000kN·m、2297470kN·m，跨中截面最大弯矩分别为348000kN·m、377824kN·m，均小于程序各自计算抗力，符合规范相关要求。

（4）主梁短暂状况的应力验算。施工阶段对边跨合拢前最大悬臂状态，中跨合拢前最大单悬臂状态、中跨合拢后成桥状态的应力进行验算，如表1 所示。

表1 短暂状况主梁法向应力 单位：MPa

表2 持久状况主梁应力 单位：MPa

表3 主梁墩顶及跨中应力 单位：MPa

根据工程经验，为有效解决跨中下挠问题，跨中截面下边缘应有一定压应力储备，跨中截面下边缘压应力宜≥ (1+L/100)MPa（L 为PC 刚构主跨最大跨径，m）。从表3中可以看出，正截面和斜截面均为压应力，符合规范要求，且跨中应力储备均大于(1+L/100)=2.7MPa。

（7）主梁刚度计算。频遇值组合下，桥梁博士（Dr.Bridge）3.6、Midas/Civil 2017 计算的汽车荷载产生的主梁中跨最大竖向挠度分别为62mm、43mm。小于规范限值L/600=283mm。主梁刚度均符合要求。

4 结束语

通过主梁承载能力，主梁持久状况和短暂状况的应力，主梁抗裂及主梁刚度计算分析，各项指标均符合要求。在运营使用阶段，大跨刚构主梁在最不利荷载组合下，跨中截面下边缘应有一定压应力储备，能有效解决跨中下挠问题。鉴于高墩常采用滑模或爬模施工，从施工便捷性考虑，减少基础规模，避免主墩承台施工对山体大量开挖，单肢空心薄壁墩用于山区高墩大跨连续刚构是合理的。