預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋設(shè)計(jì)

摘要： 老龍溝二號(hào)橋?yàn)樯轿鬟\(yùn)（城）-三（門峽）高速公路上的一座跨深谷橋梁，為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室等截面連續(xù)彎箱梁。文中以該橋施工圖設(shè)計(jì)為根據(jù)，對(duì)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)及施工順序進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞： 預(yù)應(yīng)力混凝土 彎箱梁 斜腹板 設(shè)計(jì)

      一、概述　　

      運(yùn)平至三門峽高速公路是國(guó)道主干線209（二連浩特至河口）公路山西境內(nèi)的一部分，是山西省大字型公路主骨架的重要組成部分，是晉煤外運(yùn)主要通道之一。

      老龍溝二號(hào)橋位于209國(guó)道運(yùn)城至平陸段內(nèi)的山嶺重丘區(qū)，跨越老龍溝，為雙幅分離式高速公路大橋，橋梁全寬20.5m.兩幅橋之間的分離帶為50cm.設(shè)計(jì)行車速度為60km／h.橋梁中心樁號(hào)為K17+930，起點(diǎn)中心樁號(hào)為K17+825，終點(diǎn)樁號(hào)為K18+035.該橋位于平曲線為圓曲線內(nèi)，路線中心線半徑為25lm，左幅橋中心線半徑為256.25m，右幅橋中心線半徑為245.75m.橋梁縱斷面部分位于半徑為R＝13000m的豎曲線內(nèi)。豎曲線兩邊縱坡分別為3.8%和3%，豎曲線半徑為R＝13000m，T＝117m，E=0.526m.橫橋向設(shè)有5%的超高。橋梁結(jié)構(gòu)體系為單箱單室等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋。

      二、技術(shù)及工程用材

      設(shè)計(jì)荷載：汽車-超20級(jí) 掛車-120.

      地震基本烈度：Ⅶ度。

      溫度：極端最高溫度43℃，最低溫度-13.2℃，常年平均溫度14.6℃。

      支座沉降：0.015m。

      三、橋址區(qū)自然概況

      1. 地形、地貌

      老龍溝二號(hào)橋位于山嶺重丘區(qū)，跨越老龍溝，溝谷呈V字型，地形起伏很大，山嶺陡峭，溝谷幽深，屬中條山脈西南段的低山重丘區(qū)，地層上部為坡積物，下伏為太古界二長(zhǎng)花崗片麻巖，高差達(dá)80m.

      2. 氣象

      橋址區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，一年四季分明，夏季干熱多雨，冬季寒冷干燥，春秋季風(fēng)較溫和。年平均氣溫14.6℃，最冷一月平均氣溫-1℃，極端最低氣溫-13.2℃，最熱平均氣溫27.6℃，極端最高氣溫43℃。最大凍深33cm，最大積雪厚14cm，平均風(fēng)速3.5m/s，最大風(fēng)速18m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)。

      3. 水文

      橋梁跨越老龍溝為V字型溝，兩邊基巖裸露，灌木荊棘叢生，溝壁陡峭，溝底平常只有一股細(xì)流流淌，水量受季節(jié)控制，雨季洪水時(shí)，流量增大，最深水位達(dá)1～1.5m，枯水期流量減少，水位只有1.5～0.8m左右。洪水主要由兩邊區(qū)域的山坡降雨匯流而成。

      4. 工程地質(zhì)

      橋址區(qū)分布的主要是太古界涑水群的變粒巖和后期燕山期泥合花崗巖以及由于熱液變質(zhì)作用形成的花崗片麻巖。其中夾有多層片麻巖。該區(qū)處于構(gòu)造發(fā)育區(qū)，且中條山前大斷裂至今仍在活動(dòng)。使得巖石風(fēng)化變質(zhì)嚴(yán)重、節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石破碎。

      四、主要材料

      1. 混凝土

      上部結(jié)構(gòu)主橋箱梁采用50號(hào)混凝土；防撞護(hù)欄采用30號(hào)混凝土。

      下部結(jié)構(gòu)橋墩采用40號(hào)混凝土；基礎(chǔ)采用25號(hào)混凝土；橋頭搭板、橋臺(tái)耳墻、背墻均采用25號(hào)混凝土。

      2. 鋼材

      鋼筋：直徑≥12mm者，均采用Ⅱ級(jí)（20MnSi）熱扎螺紋鋼筋；直徑＜12mm者，采用Ⅰ級(jí)（A3）光圓鋼筋。

      鋼板：應(yīng)符合GB700-65規(guī)定的A3鋼材。

      3. 其他

      錨具及管道成孔：主橋箱梁錨具采用OVM15-12型，OVM15-12型連接器及其配套的相關(guān)配件，管道成孔采用內(nèi)徑為90mm的鋼波紋管。

      支座均采用KPZ系列抗震型盆式橡膠支座。

      伸縮縫采用J-75D80B型伸縮裝置。

      橋面鋪裝采用瀝青混凝土橋面鋪裝。

      五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

      由于老龍溝二號(hào)橋位于高山峻嶺之中，受地形條件限制因素較多，在不得已的情況下，橋梁位于平曲線內(nèi)，且半徑較小，預(yù)制結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)小半徑線形的變化，因此該橋系用現(xiàn)澆施工方案，以保證線形的順暢。

      該橋的設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：其一是預(yù)應(yīng)力混凝土彎箱梁在設(shè)計(jì)難度較大的情況下，設(shè)置了斜腹板，導(dǎo)致了預(yù)應(yīng)力鋼束空間線形布設(shè)的難度更加繁復(fù)化。其二是該橋的橋面超高達(dá)5%，導(dǎo)致了內(nèi)外腹板高差較大，增加了箱梁自身的扭矩。其三是該橋縱斷面位于3%的縱坡內(nèi)，使橋梁的構(gòu)造處理進(jìn)一步復(fù)雜化。其四是該橋跨越深谷，橋墩高度達(dá)66m，為了保證橋墩形狀線條簡(jiǎn)潔，其外形尺寸保守一致，內(nèi)側(cè)腹板由上向下逐漸加厚。對(duì)以上諸條不利因素，在本次施工圖設(shè)計(jì)中都得到了很好的解決。

      1. 上部構(gòu)造

      上部構(gòu)造采用梁高為2m（以箱中心為準(zhǔn)）的等截面斜腹板單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。橋梁橫坡由兩腹板調(diào)節(jié)而成。內(nèi)側(cè)（圓心側(cè)）腹板高度為147.5cm，外側(cè)腹板高度為172.5cm.單幅橋箱梁頂板寬度為10m，底板寬度為4.0m.懸臂板長(zhǎng)度為2.5m.箱梁在跨中斷面其頂、底板厚度分別為25cm和20cm.腹板寬度為40cm.lm過渡段之后，其腹加厚至60cm，余均不變。再過渡到底板厚50cm.邊跨梁端頂、底板厚度分別為50cm及80cm.為了便于施工，在懸臂板與腹板的交接處設(shè)R＝10cm的圓弧，以利于脫模。為增加橋梁的美觀性，箱梁斷面采用斜腹的形式。

      為了滿足錨具布置的需要，箱梁內(nèi)側(cè)在端部附近加厚，腹板內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束除豎向彎曲外，在主梁加厚段尚有平彎，與此相應(yīng)，錨固面應(yīng)相應(yīng)傾斜，使預(yù)應(yīng)力鋼束張拉時(shí)垂直于錨固端面。

      因本橋位于路線中心線半徑R=25lm的平曲線上，內(nèi)、外幅半徑不同。為抵消彎箱梁因扭矩產(chǎn)生的不平衡支反力，本橋在橋臺(tái)處向路線左側(cè)設(shè)置了15cm支座預(yù)偏心。在橋墩處設(shè)置了6.5cm支座預(yù)偏心。

      由于預(yù)應(yīng)力引起的徑向力（崩出力）的作用，腹板箍筋予以加強(qiáng)，從而起到增添防崩箍筋的作用，為方便施工，可不專門設(shè)置防崩筋。

      2. 下部構(gòu)造

      用于承受上部荷載的主墩采用 4m * 3.5m的空心薄壁墩，由于橋位跨越的老龍溝地勢(shì)陡峭，落差較大，最高的橋墩達(dá)68.0m，為減少墩頂產(chǎn)生過大位移，滿足規(guī)范要求，將薄壁墩的外形上做成等截面，內(nèi)側(cè)壁厚由上部的0.5m至下逐漸加厚到下部的lm.墩底設(shè)3m的實(shí)心段，從而達(dá)到加強(qiáng)橋墩整體剛度的目的。

      根據(jù)地質(zhì)資料顯示，橋位處溝谷兩側(cè)的基巖強(qiáng)度存較大差異，且存在一條死斷層，運(yùn)城岸基巖風(fēng)化嚴(yán)重，且較軟弱，所以，橋墩基礎(chǔ)在運(yùn)城岸采用鉆孔灌注樁，雙排樁樁徑為150cm，承臺(tái)厚200cm.三門峽岸基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，分為三層，每層厚度1.5m，最下層平面尺寸為10m*9.7m的矩形，襟邊寬度橫橋向取為1m，順橋向取為1.2m.

      運(yùn)城岸橋臺(tái)采用扶壁式，基礎(chǔ)采用直徑為φ120cm鉆孔灌注樁，梅花形布置。三門峽岸橋臺(tái)采用重力式U型臺(tái)，兩側(cè)臺(tái)高分別為5.00m和2.99m.U型臺(tái)肋厚為0.5～2.34m.基礎(chǔ)橫橋向長(zhǎng)設(shè)為21.30m.

      3. 結(jié)構(gòu)分析

      上部結(jié)構(gòu)靜力分析，采用有限元專用程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算荷載考慮了恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、支座強(qiáng)迫位移、地震力及溫度變化等。施工階段計(jì)算共分七個(gè)階段，用三孔萬能桿件支撐梁搭設(shè)施工平臺(tái)進(jìn)行梁體澆筑施工，全橋支撐梁用三孔進(jìn)行周轉(zhuǎn)。由于該橋橋墩較高，為了保證結(jié)構(gòu)物的可靠性，在靜力分析的同時(shí)，還采用空間有限元通用程序，

      對(duì)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力靜力特性進(jìn)行了分析。

      箱梁橫向橋面板計(jì)算分別按框架和簡(jiǎn)支板考慮固端影響兩種方法進(jìn)行分析，擇其大者進(jìn)行截面配筋設(shè)計(jì)。

      六、施工要點(diǎn)

      1. 上部施工

      （1）由于本橋?yàn)榭缭嚼淆垳想U(xiǎn)要地形及施工采用在墩頂架設(shè)施工平臺(tái)支架的施工方法，支架架設(shè)前應(yīng)對(duì)支架平臺(tái)進(jìn)行認(rèn)真設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，以保證支架平臺(tái)的支承力及彈性、非彈性變形控制在允許范圍內(nèi)。每孔支架平臺(tái)應(yīng)在全跨內(nèi)架設(shè)，全橋共設(shè)有三孔支架進(jìn)行周轉(zhuǎn)。

      （2）主橋上部箱梁施工。采用在支架平臺(tái)上逐孔現(xiàn)澆施工的方法，施工程序如下：

      a. 完成第一、二跨支架平臺(tái)搭設(shè)及預(yù)壓后，安裝第一孔箱梁梁段模板及鋼筋至第二孔的0.2L處（第一個(gè)施工縫），然后澆筑混凝土。澆筑時(shí)，應(yīng)保證鋼束連接器處混凝上端面與鋼束中心線垂直，待箱梁混凝土達(dá)到85%的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)后，方可按設(shè)計(jì)圖所示，對(duì)稱張拉相應(yīng)鋼束并接長(zhǎng)鋼束，接長(zhǎng)鋼束應(yīng)通至第三施工縫處。而在第一施工縫處不張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束的長(zhǎng)度應(yīng)從梁端留至第二施工縫處。

      b. 安裝第三孔箱梁梁段模板及鋼筋至第三孔的0.2L處（第二個(gè)施工縫）澆筑工序及要求同前。然后澆筑箱梁混凝土，接長(zhǎng)鋼束的長(zhǎng)度應(yīng)通至第四施工縫處，而在施工縫處不張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束的長(zhǎng)度應(yīng)留至第三施工縫處。

      c. 重復(fù)以上兩步驟直至第五跨，待第五跨箱梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到85%的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)后，方可在梁端對(duì)稱張拉所有鋼束。

      預(yù)應(yīng)力張拉以張拉噸位和伸長(zhǎng)量雙控，以伸長(zhǎng)量為主，若伸長(zhǎng)量低于-5%和超過+10%時(shí)，應(yīng)停止張拉，分析檢查出原因并處理完后方可繼續(xù)張拉。

      2. 下部施工

      下部構(gòu)造墩身施工，由于本橋跨越深溝，墩身高度大，所以采用矩形薄壁空心墩。施工時(shí)利于滑摸爬升施工法，并嚴(yán)格控制墩身中心線的垂直性。在施工到墩頂部位時(shí)，注意預(yù)埋支架平臺(tái)所需的承重構(gòu)件。

      上、下部構(gòu)造施工時(shí)，應(yīng)注意為下道工序預(yù)埋構(gòu)件或預(yù)留孔、槽，并確保其位置準(zhǔn)確。

      七、結(jié)論

      對(duì)老龍為二號(hào)橋的施工設(shè)計(jì)，使我們?cè)陬A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋設(shè)計(jì)理論上、構(gòu)造上、施工工藝上進(jìn)行了一些探索。

      該橋目前正在進(jìn)行后期施工。

      由于該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁，箱梁的內(nèi)外腹板受力情況的分配如何，以及橋梁墩高達(dá)68m以上。結(jié)構(gòu)物的抗震性是否與設(shè)計(jì)一致，都應(yīng)做出可靠的評(píng)價(jià)，為此已建議做如下成橋狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

      （1）連續(xù)彎箱梁的靜力實(shí)驗(yàn)及汽車活載實(shí)驗(yàn)。

      （2）全橋的動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)，包括結(jié)構(gòu)的自振頻率的測(cè)試及地震反應(yīng)譜分析，以及高橋墩的變位觀測(cè)。