變截面箱梁景觀橋結構設計研究范文
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摘要：預應力混凝土變截面連續箱梁是城市景觀橋梁建設中較多采用的結構形式。某跨徑布置為19m＋30m＋19m的變截面連續箱梁，兩幅布置，中間鏤空。上部采用無懸臂單箱七室箱梁，下部采用薄壁式橋臺、花瓶墩、鉆孔灌注樁基礎。橋墩和箱梁外立面施作清水混凝土澆筑的裝飾板。裝飾板內布置鋼筋網，和主梁結構伸出的預埋鋼筋相連接。結構驗算表明，主梁結構的正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力、抗裂驗算和撓度驗算均滿足規范要求。變截面連續箱梁景觀橋設計時，主體結構按照常規變截面連續梁設計，外立面施工裝飾板，既能簡化設計過程，又能達到良好的景觀效果。
關鍵詞：變截面連續箱梁；景觀橋梁；裝飾板；結構驗算
1引言
目前市政基礎設施規劃設計，往往注重景觀效果。城市橋梁設計需做到結構與景觀設計相結合，景觀效果與城市規劃相協調。預應力混凝土變截面連續箱梁，因其具有結構受力合理、施工方便、行車平順性好等優點，在城市橋梁建設中廣泛采用。學者對預應力變截面連續箱梁的受力特征［1］和施工控制［2］進行了較多的研究，對拱橋［3］、斜拉橋［4］和懸索橋［5］的景觀設計也有所研究，而對跨徑較小的變截面連續梁的景觀設計研究較少。某跨徑布置為19m＋30m＋19m的變截面連續箱梁景觀橋，主體結構按照常規變截面連續梁設計，外立面施作裝飾板，采用有限元分析軟件midas，對箱梁結構進行計算分析，對景觀設計進行探討。
2橋梁總體設
鄭州航空港經濟綜合實驗區南部片區河流眾多，橋梁密集。該區橋梁注重景觀設計，與城市設計相融合，提升城市魅力。該片區某變截面連續梁橋在結構設計中，考慮景觀因素，做到結構設計與景觀造型相融合，與片區規劃相協調。該橋梁所在道路為城市主干道，道路中心線與規劃河道中心線呈82°斜交，道路規劃紅線60m，標準橫斷面布置型式為：60m（紅線）－11．5m（綠化帶）－15m（車行道）－7m（綠化帶）－15m（車行道）－11．5m（綠化帶）。規劃河道底寬20m，百年一遇水位103．224m，坡比為1∶5，坡頂設計4m寬馬道。場地地貌單元為山前沖洪積平原，場地最上層為素填土，往下為粉土、粉土夾粉砂、粉質黏土。橋梁總長68m，橋跨布置為19m＋30m＋19m，上部結構為預應力混凝土變截面箱梁。橋梁總寬度設計為60．6m，兩幅布置，斷面布置為：0．3m（欄桿）＋3m（人行道）＋23．5m（車行道）＋0．5m（防撞墻）＋6m（鏤空）＋0．5m（防撞墻）＋23．5m（車行道）＋3m（人行道）＋0．3m（欄桿）。橋臺采用薄壁式橋臺，橋墩采用花瓶墩，基礎為鉆孔灌注樁基礎。全橋一聯，橋臺處設置D－80型伸縮縫。采用滿堂支架現澆施工。橋梁總體布置見圖1。橋梁景觀設計主題是“繁榮、富貴”，在變截面連續梁外立面和花瓶墩外側做以裝飾，形成流線式的弧線造型，主色調為白色，與片區規劃和其他橋梁設計相協調。橋梁景觀效果見圖2［6］。
3主梁結構設計
3．1結構設計及配筋
上部結構采用變高度A類預應力混凝土連續箱梁，C50清水混凝土現澆。主梁采用單箱七室斷面，中支點處梁高為2．2m，端支點處梁高為1．2m。中間呈拋物線變化。箱梁頂板厚0．25m，底板厚0．25m，腹板厚0．45m，箱梁支點處腹板加厚至1m（考慮梁端預應力鋼束布置），頂板加厚至0．4m，底板加厚至0．85m。中橫梁寬度2．0m，端橫梁寬度1．2m。主梁跨中橫斷面見圖3［7］。現澆主梁縱向預應力鋼束均布置在腹板內，采用12ΦS15．2鋼絞線，分上下兩排配置，全橋共配置32束。兩端張拉。預應力鋼束立面布置見圖4。預應力管道采用符合真空壓漿工藝的塑料波紋管成孔。普通鋼筋采用HPB300、HRB400鋼筋。
3．2主梁結構驗算
3．2．1主梁計算模型主梁計算采用空間分析程序Midas，全橋共劃分46個計算單元。橋梁計算模型見圖5。考慮主梁結構產生的一期恒載和橋面鋪裝、人行道和欄桿等產生的二期恒載。汽車荷載采用城市－A級，人群荷載取為3．6kPa［8］。橋臺沉降量按5mm考慮，中墩沉降量按10mm考慮。考慮整體升降溫和溫度梯度的作用以及10年的混凝土收縮徐變。
3．2．2持久狀況承載能力極限狀態計算（1）正截面抗彎承載力驗算主梁的正截面抗彎承載力驗算結果見圖6。圖中上方曲線為主梁能承受的最大彎矩，下方曲線為結構實際承受的彎矩。主梁跨中正彎矩最大，為4976kN•m。橋墩支座處負彎矩最大，為－7346kN•m。各截面處彎矩均小于該處能承受的最大彎矩，主梁正截面抗彎承載力滿足規范要求［9］。圖6正截面抗彎承載力驗算結果（單位：kN•m）（2）斜截面抗剪承載力驗算圖中上方曲線為主梁能承受的最大彎矩，下方曲線為結構實際承受的彎矩。主梁跨中正彎矩最大，為4976kN•m。橋墩支座處負彎矩最大，為－7346kN•m。各截面處彎矩均小于該處能承受的最大彎矩，主梁正截面抗彎承載力滿足規范要求［9］。（2）斜截面抗剪承載力驗算主梁的斜截面抗剪承載力驗算結果見圖7。圖中上方曲線為主梁各截面能承受的最大剪力，下方曲線為結構實際承受的剪力。橋墩支座處剪力最大，為2406kN。各截面處剪力均小于該處能承受的最大剪力，主梁斜截面抗剪承載力滿足規范要求［9］。
3．2．3持久狀況正常使用極限狀態計算（1）正截面抗裂驗算正截面抗裂驗算結果見圖8。圖中曲線為扣除預加力后主梁抗裂驗算邊緣混凝土法向拉應力，直線為該拉應力限值。在作用短期效應組合下，混凝土法向拉應力未超過限值0．855MPa。在作用長期效應組合下，混凝土法向拉應力未超過限值0，即不產生拉應力［9］。（2）斜截面抗裂驗算正截面抗裂驗算結果見圖9。圖中曲線為作用短期效應組合和預加力產生的混凝土主拉應力，直線為該主拉應力限值，即混凝土抗拉強度標準值的一半［9］。計算結果表明，主拉應力未超過該限值。（3）撓度驗算主梁在作用短期效應作用下跨中撓度最大，為3．115mm。考慮長期效應的影響，撓度為4．44mm，小于計算跨徑的1／600，即50mm。主梁撓度驗算滿足規范要求［9］。
4主梁景觀設計
主梁采用無懸臂的箱梁結構，方便在側立面施工裝飾板。側立面裝飾板采用清水混凝土澆筑，箱梁處裝飾板采用和箱梁同標號的清水混凝土和箱梁同時澆筑。裝飾板構造布置見圖10與圖11［7］。主梁兩個外側面和中間鏤空帶兩個側面均施作裝飾板。裝飾板中布置直徑12mm鋼筋網片。主梁和橋墩施工中預埋直徑20mmHRB400鋼筋，間距30cm，呈梅花狀布置，伸出主梁和橋墩側面。鋼筋網片和預埋鋼筋焊接，裝飾板與主體結構形成整體。
5結論
某跨徑布置為19m＋30m＋19m的變截面連續箱梁，橋墩和箱梁側面外包裝飾板，采用有限元分析軟件midas，驗算了該結構設計的合理性：（1）主梁采用無懸臂的箱梁結構，方便在側立面施工裝飾板。裝飾板采用清水混凝土澆筑，達到良好的色彩效果。（2）裝飾板中布置直徑12mm鋼筋網片。主梁和橋墩施工中預埋直徑20mmHRB400鋼筋，伸出主梁和橋墩側面。鋼筋網片和預埋鋼筋焊接，裝飾板與主體結構形成整體。（3）主體結構按照常規變截面連續梁設計，主梁結構在腹板內布置32束12ΦS15．2鋼絞線。結構驗算表明，主梁結構的正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力、抗裂驗算和撓度驗算均滿足規范要求。（4）變截面連續箱梁景觀橋設計時，主體結構按照常規變截面連續梁設計，外立面施工裝飾板，既能簡化設計過程，又能達到良好的景觀效果。
參考文獻：
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［9］中華人民共和國交通運輸部．公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG3362－2018［S］．北京：人民交通出版社股份有限公司，2018：64－82．
作者：王一鳴 王浩璇 單位：河南工程學院土木工程學院