先簡支后連續變截面預制小箱梁設計

劉政偉，夏齊勇，鄒黎瓊，陳瀟

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430050)

雙曲拱橋以其構造簡單、結構合理、材料利用率高、易就地取材等優點，在20世紀60年代后相當一段時間內成為中國的主導橋型。21世紀后，中國經濟迅速發展，當初修建的雙曲拱橋普遍存在橋寬較窄無法滿足現行交通要求的問題。同時，相當一部分雙曲拱橋位于城市中心區，已成為城市記憶，不宜將老橋拆除，應在老橋的基礎上加建新橋?，F行規范的設計荷載較老橋的設計荷載增加較大，若新橋采用雙曲拱橋則跨中拱肋截面尺寸將比老橋大，且雙曲拱橋整體性較差、施工較復雜，因此新橋不宜采用雙曲拱橋方案。此外，為滿足景觀要求，新橋應與老橋造型一致，即跨中梁高不得大于老橋跨中梁高。拓寬改造的新橋可采用預制拼裝的先簡支后結構連續預制梁橋方案。

預制拼裝施工方法是將橋梁上部結構劃分為若干節段，在工廠內預制完成后，現場逐跨進行拼裝，并通過現澆濕接縫或張拉預應力使之成為整體結構的施工方法。相對于支架現澆施工方法和懸臂澆筑法，預制拼裝施工方法施工速度快、工期短、施工占地小、對橋梁周圍的環境影響小，且梁體的幾何線形容易控制，是現代化的綠色施工方法。

傳統的先簡支后連續預制梁均為等截面，因其自重較大，跨中正彎矩大，受吊裝能力和結構受力等因素影響，其經濟跨徑較小，且其美觀性較差。若減小預制梁跨中截面高度，則可減輕其自重，減小跨中彎矩，進而提高其經濟跨徑，且美觀性較好，并能較好地匹配雙曲拱橋跨中梁高低于支點梁高的立面造型特點。

先簡支后連續變截面預制小箱梁在工程中尚無應用，且預制小箱梁跨中梁高減小后，其結構受力特性將變得復雜。如何確定先簡支后連續變截面預制小箱梁的構造和預應力鋼束布置，是變截面預制小箱梁設計中必須研究和加以解決的重要問題。

該文以湖北省涢水一橋拓寬改造工程為例，介紹其先簡支后連續變截面預制小箱梁的構造和預應力鋼束布置，對其進行受力分析，以期為類似雙曲拱橋拓寬改造的設計和施工提供參考。

1 工程概況

湖北隨州市涢水一橋原橋為9孔凈跨42 m等截面懸鏈線雙曲拱橋，跨越涢水主河道，橋面凈寬9 m，為提高該橋通行能力，需對該橋進行拓寬改造，在原橋上游新建一幅17 m寬橋梁。由于該橋位于市中心，且跨中梁高僅為1.5 m，考慮美觀和施工工期等因素，擬采用(44.055+7×44.41+44.055) m先簡支后結構連續變截面預制小箱梁，并在立面進行拱形裝飾以匹配老橋立面造型。拼寬后的斷面圖如圖1所示。由于大橋跨越涢水，水位較深，不具備采用龍門吊或其他陸地吊裝方式的條件，適合采用架橋機架設，因此設計時應驗算施工過程中架橋機運梁過孔的施工工況。

大橋設計必須克服如下難點：

(1) 施工過程中，主梁簡支時，由于跨中截面梁高受限僅為1.5 m，承載能力弱，卻需承擔架橋機運梁過孔荷載。

(2) 先簡支后結構連續變截面預制小箱梁存在體系轉換過程，各截面應力控制較難。

圖1 涢水一橋拼寬后斷面圖(單位：cm)

2 結構設計

該(44.055+7×44.41+44.055) m先簡支后結構連續變截面預制小箱梁，邊跨支點梁高2.6 m、跨中梁高2.0 m，梁底曲線按二次拋物線漸變；中跨支點梁高2.6 m、跨中梁高1.5 m，梁底曲線按二次拋物線漸變。預制小箱梁橫向布置5片，濕接縫4道，每道寬度0.65 m?？缰性O置一道橫隔梁、厚25 cm，端橫隔梁厚50 cm，連續段橫隔梁厚71 cm。單片小箱梁斷面采用單箱室，中梁梁頂寬2.6 m、頂板厚20 cm、支點腹板厚36 cm、跨中腹板厚22 cm、腹板坡率5∶1、底板厚由支點處的40 cm線性漸變至跨中處的22 cm，邊梁梁頂寬3.295 m、頂板厚20 cm、翼板寬0.979 m、支點腹板厚36 cm、跨中腹板厚22 cm、腹板坡率5∶1、底板厚由支點處的40 cm線性漸變至跨中處的22 cm。

預制變截面小箱梁按A類預應力構件設計，由于預制變截面小箱梁跨中截面梁高較低，抗彎承載能力偏小，為滿足受力要求并控制簡支變連續體系的各截面應力，設計時將部分腹板束于跨中1/3處上彎并錨固于頂板，其余腹板束錨固于梁端。

為改善架橋機運梁過孔工況中主梁的受力狀態，以滿足施工階段主梁受力要求，變截面預制梁的施工過程不同于等截面預制梁。其在安裝好兩跨主梁后就施工兩跨主梁間的墩頂橫梁并張拉墩頂預應力鋼束，將施工階段簡支狀態的主梁轉換為連續狀態，能有效地減少跨中正彎矩。

3 結構驗算

根據JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》對先簡支后連續變截面預制小箱梁進行結構驗算。

3.1 施工階段驗算

由于預制變截面小箱梁跨中梁高較低，跨中承載能力較薄弱，且預制變截面小箱梁施工過程中需要通過架橋機架設，需要對架橋機架設過程中預制變截面小箱梁的受力進行分析。施工過程中，單片預制變截面小箱梁按簡支結構考慮，其控制截面為跨中截面。經驗算，施工階段單片預制變截面小箱梁跨中正截面抗彎承載能力驗算結果如表1所示。

表1 施工階段跨中截面承載力驗算結果

由表1可知：施工階段單片預制變截面小箱梁跨中截面最大彎矩效應值為13 947 kN·m，小于抗彎承載力15 700 kN·m，施工階段抗彎承載能力滿足要求。

3.2 承載能力驗算

對(44.055+7×44.41+44.055) m先簡支后結構連續變截面預制小箱梁進行持久狀況承載能力極限狀態驗算，按9孔連續梁進行結構分析，采用橋梁博士分別對邊梁和中梁進行桿系模型計算。邊梁和中梁的荷載橫向分配系數采用剛性橫梁法和剛接板(梁)法計算，結果如表2所示。

表2 變截面預制小箱梁荷載橫向分布系數

持久狀況下預制變截面小箱梁邊梁和中梁的正截面抗彎承載能力驗算結果如表3所示。

由表3可知：中梁邊跨最大正彎矩效應值為22 089 kN·m，小于抗彎承載力25 996 kN·m；中梁中支點最大負彎矩效應值為17 326 kN·m，小于抗彎承載力27 575 kN·m；邊梁邊跨最大正彎矩效應值為24 349 kN·m，小于抗彎承載力26 247 kN·m；邊梁中支點最大負彎矩效應值為17 653 kN·m，小于抗彎承載力27 600 kN·m。表明持久狀況下預制變截面小箱梁正截面抗彎承載能力滿足要求。

表3 正截面抗彎承載能力驗算結果

持久狀況下預制變截面小箱梁邊梁和中梁的斜截面抗剪承載能力驗算結果如表4所示。

表4 斜截面抗剪承載能力驗算結果

由表4可知，中梁最大剪力效應值為3 860 kN，小于抗剪承載力6 632 kN；邊梁最大剪力效應值為4 458 kN，小于抗剪承載力6 847 kN。表明持久狀況下預制變截面小箱梁斜截面抗剪承載能力滿足要求。

3.3 抗壓驗算

對(44.055+7×44.41+44.055) m先簡支后結構連續變截面預制小箱梁進行使用階段正截面法向壓應力和斜截面主壓應力驗算，結果如表5、6所示。

表5 正截面法向壓應力驗算結果 MPa

表6 斜截面主壓、主拉應力驗算結果 MPa

由表6可知：在標準值組合下中梁箱梁截面的最大主壓應力為15.8 MPa，邊梁箱梁截面的最大主壓應力為14.7 MPa，均小于C50混凝土最大容許主壓應力19.44 MPa。滿足JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》要求。

3.4 抗裂驗算

對(44.055+7×44.41+44.055) m先簡支后結構連續變截面預制小箱梁進行使用階段正截面法向拉應力和斜截面主拉應力驗算，結果如表7、6所示。

表7 正截面法向拉應力驗算結果 MPa

由表7可知：在荷載短期效應組合下，中梁最大法向拉應力為0.487 MPa，邊梁最大法向拉應力為0.381 MPa，均小于C50混凝土最大允許法向拉應力1.85 MPa；在荷載長期效應組合下，箱梁截面均未出現拉應力，箱梁正截面抗裂滿足規范要求。

由表6可知：在荷載短期效應組合下，中梁最大主拉應力為0.643 MPa，邊梁最大主拉應力為0.552 MPa，均小于C50混凝土最大允許主拉應力1.85 MPa，箱梁斜截面抗裂驗算滿足JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第6.3.1條要求。

3.5 主梁剛度驗算

受彎構件在使用階段的撓度應考慮荷載長期效應的影響，即按荷載短期效應組合和JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》的第6.5條規定的剛度計算撓度值(只算活載產生的值)乘以撓度長度增長系數ηθ。結果見表8。

表8 主梁撓度驗算結果

由表8可知：主梁在活載作用下最大撓度為38.8 mm，小于l/600=74 mm，橋梁剛度滿足規范要求。

4 施工工藝

由于變截面預制小箱梁獨特的構造和設計特征，其施工方式與傳統的先簡支后結構連續橋梁相比存在一定的差異，其具體的施工步驟如下：

(1) 預制主梁，待混凝土強度達到設計強度的90%后，張拉正彎矩區預應力鋼束，壓漿并及時清理主梁(預應力混凝土簡支變連續小箱梁)底板通氣孔。

觀察兩組患者6個月內發生非致死性心肌梗死、心力衰竭、全因死亡、心絞痛情況，對比兩組患者非致死性心肌梗死、心力衰竭、全因死亡、心絞痛發生率及總事件發生率。

(2) 設置臨時支座并安裝好永久支座，逐孔安裝主梁，安裝好兩跨主梁后施工兩跨主梁間的墩頂橫梁并張拉墩頂預應力鋼束，將簡支狀態的主梁轉換為連續狀態，以改善架橋機運梁過孔工況主梁的受力狀態。

(3) 主梁施工完成后，由跨中向支點澆筑剩余部分的橋面整體化混凝土，并噴灑防水層、安裝伸縮裝置、進行橋面系施工。

大橋加寬施工完成后對立面進行拱形裝飾,使變截面預制小箱梁能完美地匹配老橋的立面線形，美觀效果較好。

5 材料指標

變截面梁能較好地符合連續梁的內力分布規律，材料用量較少。預制拼裝變截面小箱梁與預制拼裝等截面小箱梁的材料指標比較如表9所示。

表9 材料指標比較表

由表9可知：相較于同等跨徑預制拼裝等截面小箱梁，預制拼裝變截面小箱梁每平米材料用量少約25%。

6 結論

該橋采用預制拼裝變截面小箱梁，既滿足了美觀要求，又縮短了工期，取得了良好的經濟效益。

(1) 采用變截面小箱梁后加裝飾拱的方案能較好地匹配雙曲拱橋的線形，滿足橋梁的美學效果。

(2) 通過優化變截面預制小箱梁的構造和預應力布置，解決了變截面預制小箱梁由于跨中梁高較低，跨中承載能力薄弱的問題。

(3) 通過調整施工過程，改善架橋機運梁過孔工況中主梁的受力狀態，以滿足施工階段主梁受力要求。

(4) 經過對預制拼裝變截面小箱梁的設計和分析，其施工階段受力驗算、承載能力驗算、截面壓應力驗算、截面抗裂驗算和剛度驗算均滿足規范要求。

(5) 由于變截面預制拼裝連續小箱梁施工速度快、美觀性較好，且造價相較同等跨徑等截面預制梁低，也可適用于具有景觀要求的公路橋梁。