王 鹏 （广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060）

1 工程背景

由于预应力连续刚构桥具有行车舒适、施工方便、跨距较大、造价较低等优点，故在我国公路桥梁工程建设中得到了广泛的应用。近年来，国内学者在连续刚构桥方面进行了较多研究。本文以梧州市西江三桥188m跨连续刚构桥为研究背景，运用Midas Civil软件建立桥梁有限元计算模型，进行受力与变形分析，以期为同类连续刚构桥梁的跨径布置设计提供参考与借鉴。

梧州市位于广西东部，与粤港澳一水相连，毗邻经济发达的珠江三角洲，背靠大西南广大地区，是大西南与粤港澳联系的重要通道。为满足梧州市交通出行发展的需要，使西江两岸规划的城市道路和其他基础设施发挥更大的作用，也为了尽快发挥西江三桥作为该区域交通主通道的作用，梧州市政府提出抓紧进行西江三桥的建设工作。

2 总体设计

西江三桥的建设是联通梧州市南环快速干线和东环快速干线的重要工程之一。位于南环快速干线北侧的长洲坝址进场道路正在筹建，苍梧区东侧、南侧道路亦加紧规划，洛湛铁路上马后，在石良角架设起公路铁路两用大桥与本项目将构成顺畅的南环快速干道，将西城、长洲岛、苍梧城区有机地联系起来。对于东环快速干线，东环路、云龙大桥和梧信公路连接线已经建成，站前快速干道和旺步至苍梧区东缘的东环快速干线将把东环快速干线连接起来，将河东、塘源、高旺、苍梧、西城、河西、莲花山等城区和工业区紧密地连接在一起，避免交通过分向城市中心集中，使部分市内运输货物绕开市中心，减轻市区交通压力和对居民生产、生活的干扰。

西江三桥工程线路由西北延伸至东南，起点始于站前快速路与西江三桥相交的喇叭形立交处的三龙片区，跨越西江汊河道至长洲岛区，再跨越西江主河道到达苍梧区，终点位于207国道交叉处。

西江三桥工程跨越西江主航道，规划为I级航道，通行船舶等级为3000t级。采用单孔单向通航的航道净宽为168m，净高为13m。由于桥梁位于水利枢纽下游，船舶通航密度大，桥区通航条件复杂，结合西江主航道河床宽度，设置三个通航孔，通航孔跨径为188m。

针对上述桥梁跨径，传统的悬索桥适用的跨径较大，本项目不适合；目前流行的自锚式悬索桥由于施工工序繁杂、造价高，100多米也不是其经济跨径。因此，本项目桥梁方案设计除了悬索桥外可供选择的桥型主要有连续刚构桥、拱桥、斜拉桥、矮塔斜拉桥等。

由于本桥位于梧州机场航空限高范围内，桥面建筑物高度受到严格限制。所以，本桥不宜采用拱桥或斜拉桥。而连续刚构桥没有过高的桥上建筑，且具有外观简洁、整体协调、技术成熟、施工方便、造价低等优点。因此，本桥采用主跨为188m的连续刚构桥，边跨跨径为108m，边中跨比为0.57。主桥跨径组合为 108+3×188+108=780m，如图 1所示。

图1 桥梁立面布置图（单位：m）

根据道路总体设计，桥梁横断面为双向四车道，其总宽度为27.5m。桥梁采用分幅设计，单幅桥宽13.25m，具体为 1.75m（人行道）+2.5m（非机动车道）+8.5m（机动车道）+0.5m（防撞栏），如图2所示。

图2 梁横断面图（单位：cm）

3 技术标准[9-11]

道路等级：城市快速路；

设计车速：60km/h；

设计荷载：汽车荷载：城—A级；人群荷载：3.0kN/m；

桥梁结构设计基准期：100年；

桥梁结构设计使用年限：100年；

桥梁设计安全等级：一级；

环境类别：Ⅰ类；

地震烈度：抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05g；

设计洪水频率：1/300；

通航标准：Ⅰ级内河航道，航道净宽：3m×168m，净高13.0m。

4 结构设计

4.1 主梁结构设计

西江三桥主桥（108+3×188+108）m连续刚构桥单幅桥宽13.25m，采用单箱单室箱形断面，其中底宽7.0m，两侧翼缘板悬臂长3.125 m。箱梁共划分为24种梁段，其中0号梁段长度为10m，1～22号梁段为悬臂现浇段，长度为3.0m～5.0m，23号梁段为现浇合拢段，长度为2.0m。箱梁根部梁高为11.0m，跨中及边跨端部梁高为4.2m。箱梁梁高变化采用1.8次抛物线，变化范围为悬浇段末端至墩身外侧处。箱梁腹板厚度为50cm～90cm。箱梁顶板厚度为28cm～35cm，底板厚度为 32cm～110cm，底板厚度变化采用1.8次抛物线。箱梁顶板设置2%的横坡，横坡由腹板高度调整，底板保持水平。其根部箱梁横断面如图3所示，跨中箱梁横断面如图4所示。

图3 根部箱梁横断面图（单位：cm）

图4 跨中箱梁横断面图（单位：cm）

4.2 主梁预应力设计

箱梁采用三向预应力体系，纵桥向顶板采用17、22股φ15.2高强低松弛钢绞线，腹板预应力钢束采用22股φ15.2高强低松弛钢绞线，底板采用17、19股φ15.2高强低松弛钢绞线。钢绞线抗拉强度标准值fpk＝1860MPa，张拉控制应力 σcon＝0.75fpk=1395MPa。顶板钢束布置以平弯线型为主，锚固端附近采用局部竖弯；腹板钢束布置在锚固端附近局部采用竖弯；底板钢束采用平、竖弯结合布置。

顶板横向预应力钢束采用2股φ15.2高强低松弛钢绞线，钢束间距为50cm，钢绞线抗拉强度标准值fpk＝1860MPa，张 拉 控 制 应 力 σcon＝0.75fpk=1395MPa，均采用交错单端张拉。

竖向预应力钢束布置于腹板，采用二次张拉技术。采用3股φ15.2高强低松弛钢绞线，钢绞线抗拉强度标准值fpk＝1860MPa，张 拉 控 制 应 力 σcon＝0.65fpk=1209MPa，均采用单端张拉。根据腹板厚度，竖向预应力设置为一排单根或两根。

4.3 主桥桥墩设计

主桥桥墩采用双肢薄壁空心墩，单肢桥墩断面采用单箱单室断面，纵桥向宽2.0m，对应壁厚为0.5m，横桥向宽与上部箱梁底宽相同为7.0m，对应壁厚为0.9m，其横断面如图5所示。两肢箱型桥墩之间的净距为6.0m。

图5 单肢桥墩横断面图（单位：cm）

5 计算分析

5.1 计算模型

本桥结构主梁按全预应力结构设计，结合施工方案及其构造特征进行结构离散，高桩承台按等代基础模拟。计算分析应用了Midas/Civil软件，全桥共划分为481个单元和502个节点,其中桥面单元333个。计算模型如图6所示。

图6 全桥计算模型

5.2 施工阶段划分

根据施工总体安排，共划分有28个施工阶段。箱梁悬臂施工阶段采用10d为一施工周期，其中张拉预应力时混凝土龄期为5d。具体施工段划分：

阶段1：完成桩、承台及墩身及0号块施工；

阶段2：拆除托架，安装挂篮；悬臂浇筑1#梁段，张拉1#梁段预应力；同时安排边墩施工，安放边墩支座；

阶段3～23：移动挂篮；悬臂浇筑2#～22#梁段，张拉相应梁段预应力，支架浇筑边跨现浇梁段；

阶段24：移动挂篮；调整边跨及中跨合龙段标高，安装边跨及中跨合龙段刚性连接，在合龙段两端各加平衡重，浇筑边跨及中跨合龙处23#梁段,同时等重卸除平衡重；张拉边跨及中跨合拢钢束；

阶段25：施加边中跨顶推力1000t；

阶段26：安装边中跨合龙段刚性连接锁定,在合龙段两端各加平衡重,浇筑边中跨23#梁段,同时等重卸除平衡重；拆除施工吊架；按从长束到短束顺序张拉中跨底板预应力；

阶段27：浇筑防撞栏混凝土,完成桥面铺装等附属工程,质检验收；

阶段28：完成收缩徐变10年。

5.3 主要计算结果

5.3.1 持久状况承载能力极限状态计算

在最不利荷载组合下，主梁的正截面弯矩内力包络如图7所示。

图7 主梁正截面弯矩包络图（单位：kN·m）

根据计算，主梁墩顶负弯矩正截面抗弯承载能力值为-295378.6kN·m，跨中正弯矩正截面抗弯承载能力值为40780.5kN·m。因此，持久状况主梁的抗弯承载能力极限状态满足规范要求。

在最不利荷载组合下，主梁的正截面剪力包络如图8所示。

图8 主梁正截面剪力包络图（单位：kN）

根据计算，主梁墩顶正截面抗剪承载能力值为7125.2kN。因此，持久状况主梁的抗剪承载能力极限状态满足规范要求。

5.3.2 正常使用极限状态下结构抗裂验算

正常使用极限状态下作用短期效应组合主梁正截面上缘应力如图9所示，下缘应力如图10所示。

图9 主梁上缘正截面短期效应组合应力图（单位：MPa）

图10 主梁下缘正截面短期效应组合应力图（单位：MPa）

根据规范，按全预应力构件设计的主梁在最不利荷载组合下，作用短期效应组合正截面不允许出现拉应力。由上下缘应力图可以看出，各截面均没有出现拉应力，满足规范要求。

5.3.3 持久状况和短暂状况构件的应力计算

持久状况和短暂状况作用标准值组合下，主梁正截面法向上缘应力如图11所示，下缘应力如图12所示。

图11 主梁上缘正截面标准组合应力图（单位：MPa）

图12 主梁下缘正截面标准组合应力图（单位：MPa）

根据规范，在最不利荷载组合下，使用阶段作用标准值组合主梁正截面法向压应力不应超过0.5f。本桥主梁采用C60混凝土，主梁正截面受压区混凝土的最大压应力为18.9MPa，小于限值19.25 MPa，满足规范要求。5.3.4活载挠度计算

在汽车活载作用下，主梁的挠度如图13所示。

图13 主梁汽车活载挠度图（单位：mm）

根据计算，汽车活载最大挠度为40.9mm，未超过规范规定的1/600L=313.3mm。说明本桥的刚度足够大，满足规范要求。

6 结语

广西梧州市西江三桥跨越西江黄金水道，航道等级高，周边自然环境条件复杂，受限制因素多，主桥采用五跨一联的双薄壁墩预应力混凝土连续刚构桥，其跨径组合为（108+3×188+108）m，主桥全联长度达780m。无论从单跨跨径，还是从桥梁总长方面来看，在同类型中都属于较大规模桥梁。

本文主要介绍了该桥的总体设计特点，并采用Midas/Civil软件进行有限元分析，对计算结果进行分析整理。结果表明该桥承载能力、抗裂性能以及桥梁刚度等各项指标均满足规范要求。该桥的设计是合理且安全可靠的，可以为今后同类型桥梁的设计提供参考。