预应力混凝土连续刚构桥设计与施工浅谈

黄枭

(核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610061)

目前，大跨径的桥梁都多采用连续刚构体系，连续刚构桥梁具有跨越能力大、抗震性能强、结构刚度好、行车舒适、施工简单、养护方便等优点广泛运用于公路和城市桥梁，尤其是在跨越山谷、河流、铁路、高速等路段，特别是100～300m跨越能力的桥型中，连续刚构具有明显的竞争优势。下面结合渠县流江河景观桥设计为例，谈谈预应力混凝土连续刚构桥的结构设计。

1 连续刚构桥的设计概况

渠县流江河景观桥为双幅桥，桥宽为32m，桥长为428m，桥型布置为1×30m预应力混凝土小箱梁+(65+110+65)m预应力混凝土连续刚构+5×30m预应力混凝土小箱梁。主桥主墩采用双薄壁墩+承台+桩基础；交界墩及引桥桥墩为柱式墩，桩基础；桥台采用桩帽台。

2 主梁构造与尺寸拟定

1)预应力混凝土连续刚构桥主梁的边中跨比值一般为0.54～0.6，设计时应合理的选择边中跨比值，可以减小墩身的弯矩，使主墩基本上没有恒载偏心弯矩，根部梁高一般采用主跨跨径的1/15～1/18，跨中梁高宜采用主跨跨径的1/30～1/55，一般跨中梁高主要集中在主跨跨径的1/40～1/50，通常小跨径取大值。

本桥主桥采用65+110+65m三跨连续刚构，边中跨比值为0.59，合理优化了边中跨比值，减短了主跨跨径和边跨现浇段长度，节省了造价，降低了施工难度。箱梁根部梁高H=6.8m，H/L=1/16.18，跨中及端头梁高H=2.8m，H/L=1/39.29。

2)箱梁的梁底曲线通常都是采用1.8次抛物线或二次抛物线，但对于主跨跨径大于150m的大跨径箱梁，一般则采用1.5～1.8次抛物线。

本桥的箱梁梁高和底板厚度均采用1.8次抛物线变化，1.8次抛物线线型最符合变截面连续刚构的弯矩变化规律，可充分利用截面抗弯刚度，减轻上部结构自重，减少造价。

3)箱形截面可设计为单箱单室或单箱多室，桥面宽度小于18m，通常截面形式采用单箱单室，而桥面宽度大于18m，则采用单箱多室的截面形式或采用分幅建造。一般单箱单室的箱梁底板宽度都控制在8.5m以内，且箱室的长短边的比值不宜大于4，否则应采用多箱室。

箱梁的悬臂板长度及腹板间距是调节桥面板弯矩的主要手段，应合理的确定悬臂板长度及箱室的划分，使桥面板的正负弯矩相互协调，同时应考虑悬臂板板厚和是否设置横向预应力等因素。通常不设桥面板横向预应力的箱梁，悬臂板长度一般取1.5～3m，设横向预应力的悬臂板长度一般为3～4.5m。

本桥桥面宽度为32m，采用分幅设计，减小了桥梁宽跨比值，有效的减小了横向挠曲，有利于保证箱梁的纵向刚度。半幅桥宽为15.45m，采用单箱单室断面形式，其中箱底宽8.15m，两侧悬臂翼缘板宽3.65m(见图1)，翼板宽与箱梁底宽比值为0.448，保证箱梁截面横向受力明确合理，使得截面横向支点处负弯矩与截面跨中正弯矩值接近，最大限度利用混凝土截面的横向抗弯能力，保证了桥梁承受偏心荷载时的抗扭刚度。

图1 主桥跨中、根部主梁断面(单位：cm)

4)一般箱梁顶板最小厚度28cm，底板最小厚度30cm，悬臂板端最小厚度18cm，腹板最小厚度50cm，结构尺寸除了要满足受力要求，还需要满足通过和锚固预应力钢束的构造要求。箱梁的刚度应采用渐变，避免应力集中，如0号块与1号块腹板厚度、底板厚度、顶板厚度宜通过倒角过度，在腹板渐变处宜设置渐变段，渐变段一般为一个节段。

本桥箱梁的腹板厚度采用分段设置不同厚度，保证截面抗剪及抗弯能力，依次由85cm渐变至70cm，再由70cm渐变至55cm，渐变段均在一节段内实现，方便施工，节约施工立模时间。

5)箱梁梁段分块长度的选取：0号块的长度主要是考虑拼装挂篮所需要的工作空间，经查阅一些既有桥梁的挂篮设计施工工艺，同时参考了以往同类型桥梁的设计来最终确定的。0号块的长度也不宜过长，否则造成支架现浇的难度加大，常规一般控制在9～12m。0号块横隔板的设置也应尽量简化，方便设计与施工。箱梁梁段分块应最大限度地模拟施工进度，同时应考虑各个梁段重量趋于均衡，梁段分块种类不宜过多，一般分成2～3类。

3 预应力钢束布置

1)钢束布置原则，①顶底板纵向预应力钢束的布置应尽可能靠近腹板，并通过平弯和竖弯锚固在顶底板与腹板的交界处，有利于局部承压和减小纵向预应力钢束弯曲所产生的横向内力。锚固齿块应与腹板连成整体，底板齿块一般不宜跨节段设置；②腹板预应力钢束的布置应对称于腹板，其锚固点一般位于距箱梁顶面2/3H以下的位置；③横竖向预应力布置与纵向预应力不交叉并满足空间距离要求；④钢束锚垫板之间的距离、锚垫板与结构边缘的距离既要满足千斤顶张拉工作的最小空间，又要保证混凝土有足够的局部承压强度；⑤保证钢束与箍筋尽量不打架，在不能避免的情况下，交叉点尽量靠近剪力零点。

2)本桥箱梁采用纵向、横向、竖向三向预应力体系设计，根据各施工阶段的结构体系和荷载情况，合理的确定了预应力的预期目标，并且保证了在使用阶段结构受力达到理想状态。通过合理优化的预应力设计，减轻了结构自重，使结构美观轻巧，从而节约了混凝土和钢材用量。

4 桥墩设计

主墩与主梁采用墩梁固结形式，一方面在竖向作用下减小了跨中正弯矩，跨中截面相应减小。另一方面，墩梁固结的整体性强，稳定性好，抗扭能力大，较好的满足了悬臂施工的抗风要求，且不存在复杂的结构体系转换。

连续刚构桥的主墩高度一般应大于主跨跨径的1/10，且多采用双肢薄壁墩，当墩高较大时，墩身也可采用箱型截面，在满足抗弯和稳定的前提下，使桥墩具有较小的抗推刚度，以降低温度作用、混凝土收缩徐变和地震力的不利影响。

当两个主墩高度相差不大，可采用相同的壁厚和双肢间距。若主墩高度相差较大，为保证上部结构在温度、混凝土收缩徐变等引起的两主墩墩顶纵向变形相当，使主墩的抗推刚度接近，则需要采用不同的壁厚和双肢间距，使结构整体受力合理、经济。

由于温度与混凝土收缩徐变等将产生次弯矩，当主墩较矮或抗推刚度较大时，在墩顶容易出现较大的拉应力，应采取相应的措施来调节主墩受力。

1)在满足抗弯和稳定的前提下，减小墩身顺桥向厚度和双肢薄壁间距;2)采用群桩基础，计入桩基柔度对墩身的影响;3)边跨合拢前后对主梁进行加卸载，以改善墩的受力;4)中跨合拢前施加顶推力，以改善墩的受力;5)将中跨底板预应力长束分阶段锚固，分别在中跨合拢前后锚固，以减小底板束产生的次弯矩、梁端压缩变形和混凝土收缩徐变内力。

5 细节设计

1)为避免应力集中，使结构内力能够顺畅传递，箱梁做了倒角处理，避免出现小于90度的尖角，并顺倒角设置分布钢筋。

2)在顶板钢束曲线段设置“π”形吊筋，以抵抗顶板束曲线段径向分力。底板上下层横向构造钢筋通过蹬筋连成整体骨架，底板和腹板钢束曲线段设置闭合防崩钢筋，防止底板和腹板劈裂和崩裂破坏。

3)箱梁横隔板上的人孔一般设计成带有直线或圆弧形倒角的矩形孔洞，并保证施工及检修设备和人员能够顺利通过人孔。底板上的人孔通常为圆形，一般设置在梁端附近。

4)为减少箱梁内外温度差的影响，在箱梁每个节段的腹板上设置Φ100mm的通气孔，孔洞处设置钢丝网防止飞禽进入，污染箱梁内环境。

5)为防止箱梁内施工及运营中可能的积水，在箱梁内每个箱室相对最低点的底板分别设置一个Φ100mm的泄水孔，并在孔洞上设置钢丝网，以避免杂物堵塞。

6 计算与分析

6.1 计算中需重点考虑的作用

1)结构自重和预应力，设计计算应体现结构形成的过程和状态，应按施工顺序逐步计算结构因各个荷载(作用)产生的内力效应并予以叠加，并计入混凝土收缩徐变的影响，形成永久作用效应，使计算与实际施工过程相符合;2)挂篮，现大多采用轻型挂篮，主要形式有三角形挂篮和菱形挂篮，一般取节段重的0.4倍左右;3)活载，在进行结构的整体性纵向荷载计算时，除了考虑冲击系数外，应考虑1.15的偏载系数，以控制剪力滞效应的应力增幅;4)温度，温度作用值应按现行《公路桥涵设计通用规范》的规定取用，并计算结构的均匀升温或降温效应，以及温度梯度引起的内力;5)徐变，应充分考虑混凝土收缩徐变对结构的影响，对大跨度连续刚构桥，除施工阶段天数的累计，还应考虑后期结构下挠，一般考虑10～20年左右收缩徐变的影响;6)结构基础变位，主要是根据地质条件确定基础变位，100m跨左右经验取值主墩2cm，边墩1cm;7)结构调整力，主要考虑边中跨合拢时的竖向配重力，其目的在于悬臂端的平衡和消除合拢时合拢段两边的竖向位移偏差。还要考虑中跨合拢前的顶推力，其主要目的在于改善主墩受力;8)风荷载，应根据《公路桥梁抗风设计规范》验算不同风荷载工况下的成桥阶段和施工阶段;9)漂流物的撞击力，对于有通航要求或有漂流物的河流，应进行横桥向撞击力的计算，且应做好相应的防撞措施。

6.2 每种验算需要重点注意的问题

1)持久状况承载能力极限状态计算：应考虑施加预应力产生的次效应的影响；必须考虑有效宽度的影响；在抗剪计算时，尽量将竖向预应力筋当安全储备考虑，可适当调整腹板的下弯高度以充分发挥腹板的抗剪作用。

2)持久状况正常使用极限状态计算：对于主跨跨径大于100m的连续刚构桥应按照全预应力混凝土构件进行设计；主跨跨中在自重、二期荷载、预加力等作用下的弹性下挠度值一般控制在L/4000。

3)持久状况和短暂状况构件的计算：重点关注四个应力，分别为墩顶位置截面顶的正应力、跨中截面底的正应力、混凝土的主拉应力、混凝土的最大压应力；施工阶段计算主要考虑最大悬臂阶段、顶推阶段的稳定性验算和承载能力验算。

7 施工要点

7.1 主要施工方案

本桥桩基采用嵌岩桩，主墩位于流江河中，水深约5m，因此基础的施工难度较大，设计考虑采用筑岛围堰施工。

主桥箱梁采用挂篮悬臂施工，箱梁纵向分块为9m(边跨现浇段)+2m(边跨合拢段)+4×4m+6×3.5m+4×3m(14个悬浇段)+10m(零号块)+4×3m+6×3.5m+4×4m(14个悬浇段)+2m(中跨合拢段)，其中零号块采用托架施工，边跨现浇段采用支架施工(见图2、图3)。

图2 主梁边跨分块立面(单位：cm)

图3 主梁中跨分块立面(单位：cm)

7.2 零号块施工

箱梁零号块的混凝土浇注方量很大，且通常需要一次性浇注完成，因此要求零号块施工托架的强度和刚度必须能够满足一次性浇注的要求，施工托架应按施工总重量的1.2倍进行预压，以消除托架的弹性变形，检验托架的安全度，若零号块一次浇注不能完成，可分两次浇注，先浇注底板和腹板，再浇注顶板，宜将两次浇注混凝土的龄期控制在7d以内,并预留施工逢,在二次浇注前应凿毛并将表面清理干净。

7.3 悬臂浇注施工

应随时保证悬臂施工的对称和平衡。每个悬臂浇注梁段都要求一次浇注完成，每个梁段的施工周期(包括安装挂蓝、立模浇注混凝土以及张拉纵向预应力钢束)一般不小于10d。混凝土的浇注顺序应从挂篮前端向后端浇注，使挂篮前期挠度大，后期挠度小，前期出现的腹板变形可以在后期的浇注过程中进行弥补。

7.4 预应力施工

1)每一梁段纵向预应力钢束的张拉应严格按照设计规定的顺序进行对称张拉，张拉时应注意梁体和锚具的变化;2)横竖向预应力应滞后本节段纵向预应力筋两个节段后再张拉;3)三向预应力管道相碰时，保证纵向移动横竖向，用作后锚的竖向预应力筋不允许偏位，横竖向相碰时，保证竖向移动横向，但横向最大偏位不得大于10cm;4)预留管道一般在施工时管道堵塞等意外事故时才能考虑起用，经确认不需使用后，应及时封堵、灌浆。

7.5 合拢施工及体系转换

主桥箱梁全桥分两个合拢阶段，第一阶段是边跨合拢；第二阶段中跨合拢。

1)边跨合拢段的施工：进行边跨合拢时，在边跨悬臂端设置与现浇梁段等重量的平衡配重。浇筑合拢段混凝土，同时逐步卸出配重;2)中跨合拢段的施工：先在悬臂端安装平衡配重(每端重量为二分之一的合拢段自重)，然后安装中跨合拢段劲性骨架，根据设计顶推力对称顶推两侧“T构”，选择一天中较稳定的温度时间浇筑中跨合拢段混凝土(设计合拢温度一般控制在15°C±3°C)，同步逐渐卸除平衡配重;3)张拉合拢段底板预应力钢束应先张拉长束后张拉短束。

8 结语

连续刚构桥的特点很鲜明。墩梁固结，施工过程中无需体系转换，方便施工；顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度都很大，受力性能好；主墩较柔，顺桥向的抗推刚度相对较小，有利于温度作用、混凝土收缩徐变和抗震；伸缩缝少，行车平顺舒适。基于以上特点，连续刚构桥有很好的发展前景，随着上部结构的不断轻型化，跨越能力可进一步增大，同时上部结构连续长度的增长，也可以适应高速行车。