混凝土简支箱梁桥设计和施工研究

摘要：装配式预应力混凝土简支箱梁桥具有受力明确、构造简单、施工方便、经济合理等优点，得到广泛应用。选取了3×35m装配式预应力混凝土连续小箱梁桥为研究对象，分别从结构设计和施工方面进行介绍，希望为设计和施工人员提供一些参考。

关键词：装配式；预应力混凝土简支箱梁桥；设计；施工

1工程概述

道路红线宽30～40m，30m宽红线采用双向四车道，40m宽红线采用双向六车道，两侧人行道各宽4m。道路在上跨毗河处设置一座3×35m的装配式预应力混凝土连续小箱梁桥，桥梁全长110.92m，宽30m。

2水文地质条件

2.1地表水及地下水

上游水源起于柏条河，为排灌两用河流。据现场观察，河水呈无色、较为透明。勘察时在河道内发现有流水，测得水面宽约60.0m，水深1.0～1.5m，流速0.20m/s，流量约15m3/s。夏季洪水期河水对河床及两岸具有较强的冲刷作用，河流水体与地下含水层已相通。经调查走访当地村民得知，数十年间桥位处河水最高洪水位高程可达494.2m（出现在1981年）。桥位处准确最高洪水位以水利主管部门权威数据为准。该处河床地形起伏较小，该段河道较直，流水大小主要受上游控制，夏季洪水期间流速较快，下切作用与侧蚀作用较强。百年一遇洪水的一般冲刷深度为1.5m，局部冲刷深度为2.5m，最大冲刷深度为4.0m。该场地内所见地下水为赋存于砂卵石层中的孔隙潜水，该地下水由大气降水及地表水补给，经地下径流和地面蒸发排泄，具有埋藏浅、含水层较厚、分布广、补给源近、富水性和透水性好的特征。多年平均降水量为911.7mm。杂填土、粉土为弱透水层，砂层和卵石层属于强透水层及含水层，水位随季节性变化较大。勘察时为地下水平水期，初见水位处于砂层或卵石层上部，实测该地下水静止水位标高约为492.0m，该区地下水位年变幅约为2.0m。查阅该区域水文地质资料，该地区丰水期为6—9月，枯水期为1—3月，其余月份为平水期。据了解近年处于正常条件下，最高地下水静止水位约为494.2m。地下水与地表的河水联系紧密，双方呈互补关系。根据检测资料显示，该桥区内的河水、地下水对混凝土及混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性，环境水对桥梁基础施工有一定影响，河水对桥基、岸坡、河床具有较强的冲刷作用。

2.2地形地貌

该场区位于成都平原东部，远离龙门山和龙泉山2大断裂带，根据区域地质资料和桥位勘察资料进行综合分析，场区内无影响场地稳定的断裂构造，属无破坏性地震区。场地地貌单元属成都冲积平原沱江水系毗河河床、漫滩、一级阶地。阶面上的堆积物由第四系的冲积物构成，据勘察钻探资料，堆积物厚度为13.7～21.4m。基底为白垩系棕红色砂质泥岩。桥位所处河段南高北低，其微地貌如下：0#桥台位于毗河左岸漫滩和一级阶地上，地形略有起伏；1#桥墩位于河床之上，地形平坦；2#桥墩位于毗河右侧漫滩之上，地形较平坦；3#桥台位于毗河右岸一级阶地上，地形较平坦。桥区河段左右岸原为自然岸坡，数年前桥位处及其附近由于砂卵石采挖，形成巨坑，后经人工回填和水力作用泥沙淤积，造成桥位处两岸地貌破坏、改变。勘察测得位于不同微地貌单元上的钻孔孔口地面高程为490.70～498.71m，相对高差8.01m，起伏较大。现如今河道宽约75m（勘察时水面宽约60m），河床深约3.0m。

2.3气象条件

该地区属于亚热带湿润季风气候，四季较分明。年平均气温为16℃，绝对最高气温为35.5℃，绝对最低气温为﹣5.4℃。该地区年平均相对湿度为81.5%，多年平均降水量为911.7mm。

3桥梁总体结构分析

本桥为跨越毗河而设置，根据规划资料，毗河远期将进行拓宽改造，因此毗河大桥孔跨采用3×35m布置，上部结构采用装配式预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用桩柱式桥墩和肋板式桥台，基础形式为桩基础，且均为嵌岩桩设计。整体静力计算采用平面杆系理论，以主梁桥轴线为基准划分结构离散图，如图1所示。总体计算根据荷载组合要求的内容进行内力、应力计算，验算结构在运营阶段内力、应力是否符合规范要求。

4桥梁上部结构设计

桥梁上部结构设计，既要考虑桥梁受力特点及工程造价，也要结合桥梁实际情况。因此综合考虑，该桥梁采用装配式预应力混凝土连续箱梁结构，其设计要点如下。

4.1箱梁梁体结构及主要尺寸

桥梁全宽30m，分2幅修建，每幅宽15m，每幅设2片边梁（内侧边梁宽度与中梁一致）和3片中梁。小箱梁采用C50混凝土，梁高1.8m，边梁宽2.85m（内边梁宽2.4m），中梁宽2.4m，梁片之间采用湿接缝连接，湿接缝宽为0.635m。桥梁横坡为双向人字坡，横坡度为1.5%，桥面横坡通过小箱梁腹板不等高、顶板倾斜来实现，保持底板水平。

4.2预应力体系

预应力钢束采用Φs15.2钢绞线，抗拉标准强度fpk＝1860MPa，其抗拉设计强度为fpd＝1260MPa。纵向预应力钢绞线采用金属波纹管成孔，采用相应锚具及相应的张拉千斤顶。

4.3计算情况及主要控制参数

简支箱梁纵向结构按预应力混凝土构件设计，采用桥梁博士V3.5.0进行计算。4.4构造措施为使结构内力能够顺畅传递，避免应力集中现象发生，对于异向截面相交的地方，必须做倒角处理，避免截面之间有小于90°的尖角出现，并顺倒角设置分布钢筋。为减少箱梁内外温度差的影响，防止箱梁内施工及运营中可能的积水，在箱梁内每个箱室的底板分别设置4个Φ100mm的泄水孔并兼作通气孔使用，并在孔洞上设置钢丝网，以避免杂物堵塞。

4.5普通钢筋设置原则

箱梁截面构造部分包括顶板、底板和腹板。均布置双面钢筋网，双面钢筋网之间设置蹬筋，使双面钢筋连成整体钢筋骨架。在锚下除布设与锚具配套的螺旋筋外，必须布设不少于4层锚下钢筋网，纵向钢束锚后也应设置不少于4层锚后钢筋网，并在钢束同向设置加强钢筋，以有效地散发集中的局部应力，即在锚具周围设置构造钢筋与梁体连接，以加强由于锚固对截面的削弱，并分散锚后的局部集中应力。

5桥梁下部结构设计

5.1桥墩

30m桥宽横向根据桥面布置等分为2幅桥，每幅桥桥墩均采用双圆柱墩，柱间距取800cm，柱径取160cm，下接Φ180cm桩基。墩身和盖梁均采用C40混凝土，桩基采用C30混凝土，桩间系梁采用C30混凝土。

5.2桥台

0号和3号台均采用肋板式桥台。台帽厚170cm，肋板厚130cm，肋板间距570cm，承台取5.6m×2.3m×1.8m，下接2根Φ130cm桩基，桩间距取330cm。台帽、背墙和耳墙采用C40混凝土，肋板、承台和桩基均采用C30混凝土。

5.3桩基

墩台基础均按嵌岩桩设计，桥台桩基嵌入中风化砂质泥岩，深度不小于4.5m，桥墩桩基不小于6m，桩基成孔方式采用机械成孔。要求桩底沉渣厚度不大于5cm，桩的倾斜度不超过3‰。

6桥梁抗震设计

该地区地震设计动峰值加速度为0.10g。根据CJJ166—2011《城市桥梁抗震设计规范》，该桥梁抗震设防烈度为7度，抗震设防类别为丙类，按8度设防。故该桥梁采取抗震设防措施如下：布置纵、横向限位挡块，桩基础均采用螺旋箍筋，螺旋筋的接头采用焊接；桥墩及桩基础潜在塑性铰区域内已按照抗震规范要求配置加密箍筋，在桥梁墩台处防震挡块内侧垫橡胶垫块，起缓冲消能作用。

7桥梁耐久性设计

桥梁耐久性设计基准期为100年。上部结构安全等级等级为I-B级，下部结构等级为I-C级。

8施工方案及注意事项

桥梁总体施工方案及工序如下：①施工桥梁范围内的河堤至其马道标高；②施工桥梁下部结构的桩基、承台、肋板、墩柱，随后完成桥梁范围内的河堤护岸施工；③工厂或现场预制小箱梁；④现场架设装配式预制小箱梁；⑤现浇中横梁、湿接缝，张拉顶部负弯矩区域钢束；⑥施工桥面铺装及附属工程；⑦成桥荷载试验，验收。桩基是桥梁工程的重要组成部分，承受着桥梁的整个质量，决定着桥梁运行的安全性。因此，在桥梁建设过程中，必须控制好桩基施工。桩基施工注意事项如下：①相邻2根桩施工时不得同时成孔或同时浇筑混凝土。②施工过程中如发现地质情况与设计资料不符时，施工单位应同勘察、设计和监理三方按照单桩设计轴向力，并结合现场实际地质情况再次确定；桩基终孔时，应根据现场实际钻（挖）孔记录资料，判断地层分类情况及相关力学性能指标，并确保桩基达到设计要求的岩层和深度。③为防止护壁泥浆侵入桩体而削弱断面并影响桩基施工质量，要求钻孔直径不得小于设计桩径，禁止采用小直径钻机通过扩孔方法形成桩基的方式。④桩基均预埋超声波检测管，设置比例100%。声测管采用直缝钢管，上部应高出桩顶50cm，下部应用钢板封底焊接，直至桩底，灌注混凝土前在管内灌满水，上口处用塞子塞住。⑤声测管设置根数为桩径Φ1.3m埋设3根、桩径Φ1.8m埋设4根；对桩基超声检测有问题的部位均应进行钻探取样，并进行成孔质量检测。承台施工注意事项如下：①承台施工前开挖必须做好防护处理，以保证边坡的稳定性；②承台施工时应提前预埋墩身钢筋，并确保钢筋定位准确和钢筋接头位置相互错开，同时应注意承台和桥墩相邻块段施工时间间隔不宜大于30d的混凝土龄期差；③承台浇筑混凝土施工时，应采取有效的散热措施（如散热管），控制承台大体积混凝土的内外温差不超过25℃，降低混凝土的水化热，防止开裂。桥墩施工注意事项如下：①施工前应根据工点现场的实际情况，制定详细的桥墩施工组织方案及措施，对临时支架、塔架等应进行详细的设计及结构验算，并报监理工程师批准后方可进行施工，确保施工工期、质量及安全；本设计段落桥梁墩高较矮，宜采用一次性浇注，桥墩模板采用定型钢板。②施工过程中应保证主筋的位置准确及垂度满足施工规范要求。③墩身主筋加工时应注意调整主筋的接头位置，使同一截面主筋的接头数量不超过50%[1]。④墩身主筋采用机械接头等强连接，接头应尽量设于受力较小区段，在任一接头中心至长度为钢筋直径的40倍范围内，同一根钢筋不得有2个接头。⑤混凝土的浇筑直接影响着混凝土的密实度，为了确保混凝土的质量，应该从浇筑方法和振捣2方面入手。浇注混凝土时应采用高频振捣器进行振捣，确保混凝土的密实性[2]，同时还要防止混凝土产生离析。当混凝土浇筑到顶端时，还应采用二次振捣和二次抹面，刮去表面浮浆；混凝土浇注、振捣完毕后还应加强养护。外露部分应立即覆盖，防止风干和日晒失水。整个养护期间，混凝土要处于有利于其硬化及强度增长的温度和湿度环境中进行潮湿养护。在常温下，养护应至少持续15d，气温较低时需适当延长养护时间。装配式简支箱梁施工一般注意事项如下：①浇筑箱梁混凝土前应用水湿润混凝土，确保梁体与现浇混凝土接触良好。②严格检查附属设施的预埋件是否齐全，确保无误后方可浇筑。③施工时，应保证钢筋位置和预应力孔道的准确性。④预制梁顶、底板和腹板时，施工单位应做好配合比试验，正确选用骨料，且混凝土中的骨料最大粒径不大于20mm。⑤对于C50混凝土（箱梁混凝土），最大水胶比不大于0.36，最小胶凝材料用量不小于360kg/m3，最大胶凝材料用量不得大于480kg/m3；对于C40混凝土（桥墩、盖梁混凝土），最大水胶比不大于0.45，最小胶凝材料用量不小于320kg/m3，最大胶凝材料用量不得大于450kg/m3；对于C35混凝土（桩基、系梁），最大水胶比不大于0.50，最小胶凝材料用量不小于300kg/m3，最大胶凝材料用量不大于400kg/m3；对于C30混凝土（人行道、搭板混凝土），最大水胶比不大于0.55，最小胶凝材料用量不小于280kg/m3，最大胶凝材料用量不大于400kg/m3。

9结束语

箱梁具有抗扭性好、刚度大、稳定性好等优点[3]。该桥总体设计遵守“技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理”的桥梁设计基本原则[4]，同时根据水文气象及地质条件，结合全线实际情况进行设计和施工方案制定，希望为今后类似桥梁设计和施工提供一些参考。

参考文献：

［1］姜健康.后张法预应力小箱梁施工［J］.城市建设理论研究（电子版），2012（16）：1-7.

［2］钟冠星，潘朝慧.30m先简支后连续预应力小箱梁的设计与施工［J］.中国市政工程，2006（4）：38-40.

［3］刘春和.造桥机节段拼装56m铁路双线箱梁施工技术［J］.铁道建筑，2010（4）：19-20.

［4］李奇，肖海珠.黑瞎子岛乌苏大桥总体设计［J］.桥梁建设，2014，44（3）：87-91.

作者：杨迎 王裕滔 单位：四川铁道职业学院 中国市政工程西南设计研究总院有限公司