单箱单室窄箱梁结构设计及力学特性分析

徐涵，黄春亮，胡帅，李蓉

(1.中交通力建设股份有限公司 湖南分公司，长沙 410015；
2. 湖南和天工程项目管理有限公司，长沙 410205)

伴随着经济持续发展，人们对交通的需要和依赖越来越大，各类交通荷载也在逐年增加。早期大多数混凝土桥梁超负荷使用，容易出现裂缝、基础不稳及耐久性差等病害，其性能大大降低，有些桥梁结构甚至失效，存在巨大的安全风险[1]。结合工程实例，本文着重探讨预应力混凝土窄箱梁桥结构设计的要点和力学特性，采用高度发展的计算机辅助手段，进行有效快速优化和仿真分析，提高设计水平。

本工程项目位于某提质改造工程中段，属于老桥拆除重建。老桥跨越水库溢洪道，跨径布置为1×20 m 的双曲拱桥，根据老桥特殊检测报告对其评定为4 类。结合相关单位意见，最终决定采用拆除老桥，在原桥位重建桥梁的设计方案。为避免破坏溢洪道和导流墙，桥梁方案比选后最终采用1×40 m 预应力混凝土现浇简支箱梁结构，桥长46.08 m，桥面宽度7.5 m。桥型立面布置如图1所示。

设计过程中现浇箱梁采用C50 预应力钢筋混凝土，桥面铺装由上而下构造为：9 cm 厚沥青混凝土铺装层，防水层，8 cm 厚C50 钢筋混凝土调平层。9 cm 厚沥青混凝土按从上至下的顺序分别为4 cm AC-13C 细粒式沥青混凝土及5 cm AC-20 中粒式沥青混凝土，铺设沥青混凝土之前应在桥面混凝土上喷涂防水层[2]。其余下部构造和附属结构均采用C30 混凝土进行施工。

1）设计荷载：汽车荷载等级为公路-II 级。

2）公路等级：四级公路。

3）设计车速：20 km/h。

4）桥面宽度：7.5 m，由净-6.5 m(行车道）+2×0.5 m(防撞护栏）组成。

5）纵横坡：纵坡为0.3%，桥面横坡为双向2.0%[3]。

通过前期设计阶段研究，根据桥位处的地形情况、线路走向，进行布设桥梁孔径，优化过河方案。桥梁的建设还应从可持续发展和环保理念的角度去认识，使项目的环境和资源得到充分的保护[4]。桥梁设计遵循以下基本原则：

1）按照本工程规划和工程建设的要求，在满足交通水利、防洪等主要功能的前提下，新建桥梁的设计遵循“安全、耐久、适用、环保、经济、美观、便于施工及养护”的总体原则[5]。

2）遵循因地制宜、便于施工和养护的原则选择桥型。本桥上部构造形式采用预应力混凝土(后张）现浇箱梁结构，截面采用单箱单室。该简支结构拥有以下优点：(1）整体结构外形简洁，底面平整光洁，线条流畅，受力明确，便于施工，具有良好的稳定性；
(2）选用的箱梁桥整体性能好且结构刚度大，行车效果较好；
(3）承重结构与传力结构共同受力，截面效率高，达到经济效果；
(4）对溢洪道和导流墙影响较小。

5.1 一般构造

结构形式采用C50 预应力混凝土(后张）现浇箱梁，桥面横坡为双向2%，由内向外，底板水平。箱梁截面采用单箱单室，箱梁梁高为2.3 m(箱梁高指底板至顶面线与桥梁中心线虚交点的距离），为跨度的1/17.36；
箱梁顶板采用7.5 m 宽，底板宽4.5 m，箱室两侧悬臂尺寸均为1.5 m，悬臂端部厚0.15 m，根部厚0.45 m；
箱梁顶板厚度为0.25 m，由跨中渐变至近梁端的0.45 m；
底板厚度为0.23 m，由跨中渐变至近梁端的0.43 m；
腹板厚度为0.50 m，由跨中渐变至近梁端的0.70 m；
箱梁跨中设横隔板，厚度采用0.5 m，底板和腹板均在距梁端4.0 m 处开始渐变[6]。

箱梁纵向支点距为38.8 m，支点距梁端为0.56 m。为方便箱内排水，在箱梁底板中心线上最低端处设置一个直径为10 cm的泄水管；
为方便施工，腹板与顶板内侧采用0.8 m×0.2 m 直线倒角过渡，腹板与底板内侧采用0.2 m×0.2 m 直线倒角过渡。箱梁截面构造详见图2。

5.2 预应力钢束的布置

本箱梁采用双向预应力体系。纵向钢束采用高强低松弛钢绞线，标准强度fpk＝1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率ρ=0.035，松弛系数ζ=0.3。腹板束采用φs15.2-19 两束，锚下张拉控制应力为1 339.2 MPa；

底板束采用φs15.2-12 两束，锚下张拉控制应力为1 339.2 MPa，采用两端横向对称张拉钢束[7]。锚具采用M15-19 和M15-12。

6.1 计算模型

整体计算采用Midas Civil/Designer 对桥梁进行设计，按部分预应力(A 类）混凝土结构进行验算。梁部沿纵向划分成40 个单元，各单元的断面形式都为单箱单室结构。设计过程中考虑温度荷载的影响，按照整体升温25 ℃，整体降温25 ℃，自重系数采用1.04 进行分析。运用软件建立模型进行强度、抗裂性及抗倾覆性计算，模拟出实际结构所有可能出现的不利施工状态和运营工况[8]。箱梁模拟视图见图3。

6.2 荷载组合

公路桥涵结构设计应考虑结构上可能同时出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计[9]。

6.3 结构验算

正截面强度验算：根据截面尺寸、配筋情况按照预应力钢筋混凝土桥涵设计规范进行截面强度计算，然后跟截面弯矩进行比较[10]。经计算最大弯矩出现在20 单元。详见图4。

斜截面抗剪验算：
主要对本箱梁的跨中、1/4 截面及支点截面控制点进行使用阶段应力的验算[11]。经计算，最大剪力出现在39 单元。详见图5。

正截面抗裂验算：经计算，主梁在作用(荷载）短期效应组合或长期效应组合下，主梁均为全断面受压，未出现拉应力，满足规范要求。顶板抗裂验算包络图见图6、底板抗裂验算见图7。

斜截面抗裂验算：
经计算，主梁最大拉应力不超过0.213 MPa≤0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa，满足规范要求。ftk为抗拉强度标准值。

正截面压应力验算：按照JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》相关要求，荷载取其标准值，汽车荷载考虑冲击系数(μ=0.191）。经计算，在使用阶段持久状况下，主梁最大压应力为13.045 MPa≤0.5fck=0.5×32.4=16.20 MPa，满足规范要求。fck为抗压强度标准值。详见图8。

斜截面主压应力验算：经计算，在使用阶段持久状况下，主梁产生的最大压应力为13.045 MPa≤0.60fck=0.6×32.4=19.44 MPa，满足规范要求。详见图9。

挠度验算：
对本箱梁的1 号单元、21 号单元及41 号单元汽车荷载(不计冲击系数）和人群荷载频遇组合最大挠度设计值的验算。经验算，最大挠度出现在21 单元，设计值为10.324 mm≤最大挠度允许值fn=64.667 mm，满足规范要求。因预拱值C 仅为0.001 m，故本次箱梁设计没有设置预拱度。

考虑到本桥跨径达到40 m，但全宽为7.5 m，而支点横向间距仅为3.5 m，为防止桥梁发生倾覆需对本桥梁进行抗倾覆验算，验算组合为基本组合和标准组合。基本组合中，所有的恒载组合系数为1.0。抗倾覆支反力验算，采用基本组合包络中永久作用系数为1.0 时对应的最小反力值。经验算，各个节点最不利时，横向抗倾覆轴稳定性系数k=37.78＞横向抗倾覆轴稳定性系数允许值k=2.5，满足规范要求。

本文通过对40 m 单箱单室窄箱梁桥结构设计和力学特性分析计算，总结现浇简支窄箱梁设计中需要注意的相关重点及基本结构设计内容。该桥梁施工完成，通过检测无变形现象。箱梁混凝土表面平滑、色泽均匀，模板接缝处平顺，箱梁纵横坡和高程满足设计要求，可为类似桥梁设计提供参考。