[文章]：预应力混凝土连续弯箱梁桥设计

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预应力混凝土连续弯箱梁桥设计
钟瑶 梁智涛
（中交第一公路勘察设计研究院）





【摘要】老龙沟二号桥为山西运（城）-三（门峡）高速公路上的一座跨深谷桥梁，为预应力混凝土单箱单室等截面连续弯箱梁。文中以该桥施工图设计为根据，对其设计特点及施工顺序进行了简单介绍。
【关键词】预应力混凝土 弯箱梁 斜腹板 设计



一、概述
运平至三门峡高速公路是国道主干线209（二连浩特至河口）公路山西境内的一部分，是山西省"大"字型公路主骨架的重要组成部分，是晋煤外运主要通道之一。
老龙沟二号桥位于209国道运城至平陆段内的山岭重丘区，跨越老龙沟，为双幅分离式高速公路大桥，桥梁全宽20.5m。两幅桥之间的分离带为50cm。设计行车速度为60km／h。桥梁中心桩号为K17+930，起点中心桩号为K17+825，终点桩号为K18+035。该桥位于平曲线为圆曲线内，路线中心线半径为25lm，左幅桥中心线半径为256.25m，右幅桥中心线半径为245.75m。桥梁纵断面部分位于半径为R＝13000m的竖曲线内。竖曲线两边纵坡分别为3．8％和3％，竖曲线半径为R＝13000m，T＝117m，E=0．526m。横桥向设有5％的超高。桥梁结构体系为单箱单室等截面预应力混凝土连续弯梁桥。
桥型布置见图1。






二、技术及工程用材（表1）设计荷载：汽车-超20级 挂车-120。
地震基本烈度：Ⅶ度。
温度：极端最高温度43℃，最低温度-13.2℃，常年平均温度14．6℃。
支座沉降：0．015m。






三、桥址区自然概况1．地形、地貌
老龙沟二号桥位于山岭重丘区，跨越老龙沟，沟谷呈"V"字型，地形起伏很大，山岭陡峭，沟谷幽深，属中条山脉西南段的低山重丘区，地层上部为坡积物，下伏为太古界二长花岗片麻岩，高差达80m。
2．气象
桥址区属温带大陆性季风气候，一年四季分明，夏季干热多雨，冬季寒冷干燥，春秋季风较温和。年平均气温14．6℃，最冷一月平均气温-1℃，极端最低气温-13．2℃，最热平均气温27.6℃，极端最高气温43℃。最大冻深33cm，最大积雪厚14cm，平均风速3.5m/s，最大风速18m/s，主导风向为东风。
3．水文
桥梁跨越老龙沟为V字型沟，两边基岩裸露，灌木荆棘丛生，沟壁陡峭，沟底平常只有一股细流流淌，水量受季节控制，雨季洪水时，流量增大，最深水位达1～1.5m，枯水期流量减少，水位只有1.5～0.8m左右。洪水主要由两边区域的山坡降雨汇流而成。
4．工程地质
桥址区分布的主要是太古界涑水群的变粒岩和后期燕山期泥合花岗岩以及由于热液变质作用形成的花岗片麻岩。其中夹有多层片麻岩。该区处于构造发育区，且中条山前大断裂至今仍在活动。使得岩石风化变质严重、节理、裂隙发育，岩石破碎。



四、主要材料1．混凝土
上部结构主桥箱梁采用50号混凝土；防撞护栏采用30号混凝土。
下部结构桥墩采用40号混凝土；基础采用25号混凝土；桥头搭板、桥台耳墙、背墙均采用25号混凝土。
2.钢材



钢筋：直径≥12mm者，均采用Ⅱ级（20MnSi）热扎螺纹钢筋；直径＜12mm者，采用Ⅰ级（A3）光圆钢筋。
钢板：应符合GB700-65规定的A3钢材。
3．其他
锚具及管道成孔：主桥箱梁锚具采用OVM15-12型，OVM15-12型连接器及其配套的相关配件，管道成孔采用内径为90mm的钢波纹管。
支座均采用KPZ系列抗震型盆式橡胶支座。
伸缩缝采用J-75D80B型伸缩装置。
桥面铺装采用沥青混凝土桥面铺装。



五、设计要点
由于老龙沟二号桥位于高山峻岭之中，受地形条件限制因素较多，在不得已的情况下，桥梁位于平曲线内，且半径较小，预制结构很难适应小半径线形的变化，因此该桥系用现浇施工方案，以保证线形的顺畅。
该桥的设计有如下几个特点：其一是预应力混凝土弯箱梁在设计难度较大的情况下，设置了斜腹板，导致了预应力钢束空间线形布设的难度更加繁复化。其二是该桥的桥面超高达5％，导致了内外腹板高差较大，增加了箱梁自身的扭矩。其三是该桥纵断面位于3％的纵坡内，使桥梁的构造处理进一步复杂化。其四是该桥跨越深谷，桥墩高度达66m，为了保证桥墩形状线条简洁，其外形尺寸保守一致，内侧腹板由上向下逐渐加厚。对以上诸条不利因素，在本次施工图设计中都得到了很好的解决。
1．上部构造
上部构造采用梁高为2m（以箱中心为准）的等截面斜腹板单箱单室预应力混凝土连续梁。桥梁横坡由两腹板调节而成。内侧（圆心侧）腹板高度为147.5cm，外侧腹板高度为172.5cm。单幅桥箱梁顶板宽度为10m，底板宽度为4.0m。悬臂板长度为2.5m。箱梁在跨中断面其顶、底板厚度分别为25cm和20cm。腹板宽度为40cm。lm过渡段之后，其腹加厚至60cm，余均不变。再过渡到底板厚50cm。边跨梁端顶、底板厚度分别为50cm及80cm。为了便于施工，在悬臂板与腹板的交接处设R＝10cm的圆弧，以利于脱模。为增加桥梁的美观性，箱梁断面采用斜腹的形式（见图2）。



为了满足锚具布置的需要，箱梁内侧在端部附近加厚，腹板内预应力钢束除竖向弯曲外，在主梁加厚段尚有平弯，与此相应，锚固面应相应倾斜，使预应力钢束张拉时垂直于锚固端面。
因本桥位于路线中心线半径R=25lm的平曲线上，内、外幅半径不同。为抵消弯箱梁因扭矩产生的不平衡支反力，本桥在桥台处向路线左侧设置了15cm支座预偏心。在桥墩处设置了6.5cm支座预偏心。
由于预应力引起的径向力（崩出力）的作用，腹板箍筋予以加强，从而起到增添防崩箍筋的作用，为方便施工，可不专门设置防崩筋。
2．下部构造
用于承受上部荷载的主墩采用 4m * 3.5m的空心薄壁墩，由于桥位跨越的老龙沟地势陡峭，落差较大，最高的桥墩达68.0m，为减少墩顶产生过大位移，满足规范要求，将薄壁墩的外形上做成等截面，内侧壁厚由上部的0.5m至下逐渐加厚到下部的lm。墩底设3m的实心段，从而达到加强桥墩整体刚度的目的（见图3）。



根据地质资料显示，桥位处沟谷两侧的基岩强度存较大差异，且存在一条死断层，运城岸基岩风化严重，且较软弱，所以，桥墩基础在运城岸采用钻孔灌注桩，双排桩桩径为150cm，承台厚200cm。三门峡岸基础采用钢筋混凝土扩大基础，分为三层，每层厚度1.5m，最下层平面尺寸为10m*9.7m的矩形，襟边宽度横桥向取为1m，顺桥向取为1.2m。
运城岸桥台采用扶壁式，基础采用直径为φ120cm钻孔灌注桩，梅花形布置。三门峡岸桥台采用重力式U型台，两侧台高分别为5.00m和2．99m。U型台肋厚为0．5～2．34m。基础横桥向长设为21．30m。
3．结构分析
上部结构静力分析，采用有限元专用程序进行计算。计算荷载考虑了恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变、支座强迫位移、地震力及温度变化等。施工阶段计算共分七个阶段，用三孔万能杆件支撑梁搭设施工平台进行梁体浇筑施工，全桥支撑梁用三孔进行周转。由于该桥桥墩较高，为了保证结构物的可靠性，在静力分析的同时，还采用空间有限元通用程序，
对结构、动力静力特性进行了分析。
箱梁横向桥面板计算分别按框架和简支板考虑固端影响两种方法进行分析，择其大者进行截面配筋设计。
4．预应力体系






六、施工要点1．上部施工
（1）由于本桥为跨越老龙沟险要地形及施工采用在墩顶架设施工平台支架的施工方法，支架架设前应对支架平台进行认真设计及试验，以保证支架平台的支承力及弹性、非弹性变形控制在允许范围内。每孔支架平台应在全跨内架设，全桥共设有三孔支架进行周转。
（2）主桥上部箱梁施工。采用在支架平台上逐孔现浇施工的方法，施工程序如下：
a．完成第一、二跨支架平台搭设及预压后，安装第一孔箱梁梁段模板及钢筋至第二孔的0.2L处（第一个施工缝），然后浇筑混凝土。浇筑时，应保证钢束连接器处混凝上端面与钢束中心线垂直，待箱梁混凝土达到85％的设计标号后，方可按设计图所示，对称张拉相应钢束并接长钢束，接长钢束应通至第三施工缝处。而在第一施工缝处不张拉的预应力钢束的长度应从梁端留至第二施工缝处。
b．安装第三孔箱梁梁段模板及钢筋至第三孔的0.2L处（第二个施工缝）浇筑工序及要求同前。然后浇筑箱梁混凝土，接长钢束的长度应通至第四施工缝处，而在施工缝处不张拉的预应力钢束的长度应留至第三施工缝处。
c．重复以上两步骤直至第五跨，待第五跨箱梁混凝土强度达到85％的设计标号后，方可在梁端对称张拉所有钢束。
预应力张拉以张拉吨位和伸长量双控，以伸长量为主，若伸长量低于-5％和超过+10％时，应停止张拉，分析检查出原因并处理完后方可继续张拉。
2．下部施工
下部构造墩身施工，由于本桥跨越深沟，墩身高度大，所以采用矩形薄壁空心墩。施工时利于滑摸爬升施工法，并严格控制墩身中心线的垂直性。在施工到墩顶部位时，注意预埋支架平台所需的承重构件。
上、下部构造施工时，应注意为下道工序预埋构件或预留孔、槽，并确保其位置准确。



七、结论
对老龙为二号桥的施工设计，使我们在预应力混凝土连续弯箱梁桥设计理论上、构造上、施工工艺上进行了一些探索。
该桥目前正在进行后期施工。
由于该桥为预应力混凝土连续弯箱梁，箱梁的内外腹板受力情况的分配如何，以及桥梁墩高达68m以上。结构物的抗震性是否与设计一致，都应做出可靠的评价，为此已建议做如下成桥状态下的实验项目：
（1）连续弯箱梁的静力实验及汽车活载实验。
（2）全桥的动力特性实验，包括结构的自振频率的测试及地震反应谱分析，以及高桥墩的变位观测。



参考文献
[1]范立础主编．桥梁工程（上、下册）.北京：人民交通出版社，1987
[2]邵容光，夏淦主编．混凝土弯梁桥．北京：人民交通出版社，1994
[3]公路桥梁设计规范（合订本）.北京：人民交通出版社，1995

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