大角度斜交分体箱梁桥设计关键技术

马弘毅

（河北省交通规划设计研究院有限公司，河北 石家庄 050011）

1 斜交桥受力特点

1.1 弯扭耦合

竖向荷载作用在梁轴线时，斜交桥不仅会产生弯矩，还会产生扭矩。

1.2 反力分布不均匀

活载作用在斜桥上时，钝角位置的反力要大于锐角处的反力，一方面是由于偏心荷载引起，另一方面是由于斜桥横向弯矩的不对称造成的。

1.3 跨中弯矩减小

斜梁桥的弯矩与斜交角度的大小有关，斜交角度越大，纵向弯矩会相应减小，但横梁的弯矩反而会增大。边梁减小的纵向弯矩比中梁要显著，而均布荷载作用下的弯矩减小比集中荷载更明显，弯矩的折减值也随着弯扭刚度比值增大和斜交角度增加而增大[1]。

1.4 平面内位移

支座处的额外约束反力会随着外荷载变化而产生，导致出现不平衡力矩，桥梁会向锐角方向发生位移。

1.5 横向分布性能

斜交桥横向分布性能较正交桥要差，横向分布性能随着横向刚度的增大而更好。斜交桥的特征随着横梁和桥面的刚度增大而更加明显。

综上所述，斜交桥在荷载的作用下会受到弯剪扭综合作用，受力比正桥复杂很多。

2 工程概况

本文案例桥梁位于高速公路上，被交路Y291与高速线位交叉角度为33°，现阶段Y291路面宽度为15.5m，远期规划道路加宽一倍。设计上跨方案时，若采用正桥直接跨越被交路，则主跨径需要64m，因桥墩与被交路交叉角度为33°，远期加宽段道路与现有Y291的中间分隔距离需要15m才不会与桥墩冲突。从跨线桥的角度，需要较大跨径，从被交路的角度，则需要横向更多占地。如果采用斜交预制梁方案跨越，则需要40m跨径，斜交角度为33°，而现有预制梁最大斜交角度为45°，所以斜交预制梁方案不可行。如果采用斜交桥方式跨越，上部结构采用预应力混凝土现浇箱梁，则需要设计成40m主跨，斜交角度则为33°，其斜交角度过大，箱梁受力过于复杂，同样也难以实现。因此，本桥设计采用左右错孔方式布置，左幅跨径为：47.435+2×43+21.565m；右幅跨径为：21.565+2×43+47.435m。上部结构采用预应力混凝土现浇分体箱梁，下部构造为柱式桥墩，通过桥墩斜向布置实现与被交路方向一致，该设计可以避免桥梁跨径过大，也解决了斜交角度过大的问题。表1为桥梁方案比选表。

表1 桥梁方案比选表

根据表1比选结果，采用预应力混凝土分体箱梁跨越被交路。

3 结构设计

上部结构采用双箱单室分体箱梁，采用预应力混凝土现浇结构。梁高为2.2m，外侧悬臂长1.8m，悬臂端部高0.2m，根部高0.45m，内侧悬臂长1.5m，悬臂端部高0.28m，根部高0.45m。端横梁1.5m，中横梁2.5m，腹板宽0.5m，与横梁相接段腹板加厚至0.8m，加厚段长度为6m，错孔处横梁位置设置横隔板，梁体跨中位置也设置横隔板。每个腹板上设置8束15.2-15钢束。桥台位置每片梁下为2个支座，桥墩处每片梁下为单支座，其中一个桥墩与上部固结，以起到固定作用。箱梁横断面见图1。

施工顺序为：先浇筑整体的端横梁（湿接缝50cm处对应端横梁混凝土不浇筑）及两个分体箱的箱体、翼板、中横隔梁及箱梁内的横隔板部分，张拉预应力的条件是混凝土的强度达到100%，且龄期达到7d以上。压浆后应继续进行养生，完成一半钢束的张拉时，拆除墩顶两侧L/5范围的施工支架，然后张拉剩余部分的钢束。预应力箱梁应在预应力孔道压浆强度达100%及封锚完成后拆除所有支架。注意对每个箱梁进行二期恒载预压，可采用预压沙袋等有效措施，预压力纵桥向35kN/延米。待混凝土收缩徐变尽可能多地完成后（该时间段不得少于1个月，施工条件允许的条件下尽可能延长），再浇筑中间的纵向湿接缝、湿接缝50cm处对应的端横梁及两个分体箱间的横隔板混凝土，使两片箱梁成为整体[2]。

4 结构计算分析

本桥采用Midas2020建立空间梁格模型计算分析分体箱梁的受力情况。上部结构采用预应力混凝土A类构件标准设计，全桥划分的单元数为990个，主梁采用C50混凝土，预应力钢束采用ϕs1 860钢绞线，管道每米局部偏差的摩擦影响系数为0.0015，钢束与管壁的摩擦系数取0.17。虚拟横梁采用与主梁弹性模量、泊松比、线膨胀系数相同的材料，但容重取0，虚拟横梁截面的高度为箱梁顶板厚度，宽度为纵梁单元的平均宽度，横隔板按照实际截面模拟。

4.1 抗弯承载力计算

桥梁下缘最大弯矩出现在边跨跨中位置，数值为64 916kN·m，此处最大抗力为83 963kN·m；桥梁上缘最大弯矩出现在2号墩墩顶位置，数值为38 378kN·m，此处最大抗力为69 892kN·m。上下缘抗力均大于作用力，抗弯承载力满足要求。抗弯承载力包络图见图2。

4.2 抗剪承载力计算

桥梁最大剪力出现在3号墩处，数值为9 430kN，此处最大抗力为12 157kN，抗力均大于作用力，箱梁抗剪的承载能力满足设计要求，根据计算结构，箱梁抗剪截面亦可满足规范要求。抗剪承载力包络图见图3。

4.3 抗扭承载力计算

桥梁最大扭矩出现在1号墩处，数值为6 668kN，此处最大抗力为31 148kN，抗力均大于作用力，抗剪承载力满足要求。抗扭承载力包络图见图4。

4.4 正截面应力计算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）的规定，以受弯为主的预应力混凝土结构应进行正截面的抗裂计算。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第6.3条的规定，A类构件在作用（荷载）准永久效应的组合下,桥梁正截面不会出现拉应力，应符合式（1）：

式中：σ1t为在作用准永久组合下构件抗裂验算截面边缘混凝土的法向拉应力；σpc为扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力。

根据以上计算结果，桥梁在准永久组合作用下，上下缘均为受压，未出现拉应力，满足规范要求。箱梁准永久效应应力图见图5。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第6.3条的规定，A类构件在作用（荷载）频遇效应组合下，桥梁正截面拉应力不超过规定的限值，应符合式（2）：

式中：σst为在作用频遇组合下构件抗裂验算截面边缘混凝土的法向拉应力；σpc为扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力；ftk为混凝土的抗拉强度标准值。

根据以上计算的结果，桥梁在频遇组合作用下，下缘最小压应力为0.165MPa，未出现拉应力，最大拉应力出现在2号墩墩顶上缘，其数值为1.05MPa，小于0.7ftk=1.855 MPa，满足规范要求。箱梁频遇效应应力图见图6。

4.5 斜截面主拉应力计算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）的规定，以受弯为主的预应力混凝土结构应进行斜截面的抗裂计算。

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第6.3.1-6条公式见式（3）：

式中：σtp为由作用频遇组合和预加力产生的混凝土主拉应力；ftk为混凝土的抗拉强度标准值。

根据计算结果，由预加力和作用频遇组合产生混凝土的主拉应力为0.98MPa，小于规范规定的0.5ftk=1.325MPa，满足现行规范要求。箱梁使用阶段主拉应力图见图7。

4.6 斜截面主压应力验算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第7.1.1条规定，以受弯为主的预应力混凝土结构需要进行持久状况设计，需要计算使用阶段的斜截面混凝土的主应力，在计算其作用时取标准值，同时汽车作用需要考虑冲击作用[3]。

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362—2018）第7.1.6-1条公式验算，见式（4）：

式中：σcp为预应力混凝土受弯构件由作用标准值和预加力产生的混凝土主压应力；fck为混凝土轴心抗压强度标准值。

根据计算结果可得，σcp=13.034MPa≤0.6fck=19.440MPa，满足规范要求。

4.7 施工阶段压应力验算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第7.2.7条规定，以受弯为主的预应力混凝土结构在预应力和自重等荷载作用下，构件的截面边缘混凝土的法向应力应符合公式（5）：

式中：σt cc为按照短暂状况计算时截面预压区边缘混凝土的压应力；f′ck为与制作、运输、安装各施工阶段混凝土立方体抗压强度f′cu相应的轴心抗压强度标准值。

箱梁使用阶段斜截面主压应力包络图见图8。

根据计算结果可得，σtcc=13.06MPa≤0.7f′ck=22.68MPa，满足规范要求。箱梁施工阶段压应力图见图9。

5 结语

本文以大角度上跨被交路公路桥梁为例，介绍了桥梁的方案设计，采用梁格法进行了分体箱梁的分析计算，可为此类桥梁的设计提供参考。