特大桥主桥设计技术总结

1、大石水道特大桥主桥设计技术总结一、项目概况广州东沙全新联高速公路位于广州市芳村区、番禺区和佛山市顺德区境内， 路线以广州环城高速公路东沙互通为起点，北接芳村区东沙大道，终点在新联与 广州南沙港快速路相接，全长46.244km。大石水道特大桥主桥位于广州东沙全 新联高速公路第S02施工标段，桥梁全长250m。主桥跨越V级航道大石水道（是 连接深海水道和三支香水道的咽喉要道），交角76.50。定测施工图阶段，认真研 究了航道局、水利局的批复文件，根据现场实际情况，委托了水利部珠江水利委 员会水文局进行了水文分析计算。主桥采用双幅对称布置，上部结构采用 （65+120+65） m单箱单室变截面悬浇预

2、应力混凝土连续箱梁。二、设计技术标准及设计规范和依据1、设计技术标准1.1桥面宽度：单幅全宽16.25m，横向布置为0.5m （防撞护栏）+15.25m （行车道）+0.5m （防撞护栏）1.2桥面纵坡：1.5%1.3桥面横坡：2% （单幅单向坡）1.4荷载标准1.4.1汽车荷载等级：公路-I级1.4.2地震基本烈度：地震峰值加速度为0.1g，特征周期为0.35s，对应地震烈度为W度1.5通航标准1.5.1通航水位（黄海85国家高程）：最高通航水位3.274m1.5.2通航净空：净高8m 侧高5.5m 底宽80m 顶宽72m1.6温度：桥址处极端最高温度38.2C，极端最低温度-0.5C；多年

3、平均21.8C；桥 址处1月平均最高温度13.3C,7月平均最高温度21.8C,设计基准温度取20C。2、设计规范和依据2.1中华人民共和国交通部标准公路工程技术标准JTG B01-20032.2中华人民共和国交通部标准公路桥涵设计通用规范JTG D60-20042.3中华人民共和国交通部标准公路圬工桥涵设计规范JTG D61-20052.4中华人民共和国交通部标准公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-20042.5中华人民共和国交通部标准公路桥涵地基与基础设计规范JTJ 024-852.6中华人民共和国交通部标准公路桥涵钢结构及木结构设计规范JTJ 025-862.7中华人

4、民共和国交通部标准公路工程抗震设计规范JTJ 004-892.8广东省交通厅关于印发广州东沙全新联高速公路初步设计审查意见的函粤交基函2005611号2.9广东省航道局关于广州市东新高速公路桥梁跨越有关河流的航道等级和桥梁通 航净空尺度初步意见的复函粤航道复字200476号2.10广东省航道局关于广州市东新高速公路大石大桥跨越大石水道有关通航标准和 技术要求的复函粤航道复字200575号2.11广州市水利局关于东新高速公路大石水道特大桥工程建设的复函穗水函2005295 号2.12广州市番禺区水利局关于跨河大桥桥型布置方案的复函番水函2004388号三、主桥上部设计1、截面尺寸的拟定跨径比一般

5、情况下，变截面连续梁为使边跨正弯矩和中支点负弯矩取得大致接近的原 贝U,以使布束更趋合理，构造简单，故L1/L2=0.239-0.692是常见的边、主跨的跨径 比范围，当L1/L2V0.41时，边孔支座要做成拉压式以承受负反力，应属于非常规的 特殊处理；大都L1/L2=0.520.58则较合理，通常连续梁、连续刚构边中跨比值为 0.52，并向小的方向靠，使得边跨现浇段愈短愈好，这将有可能在边跨悬臂端用导梁 支承于端墩上合拢边跨，取消落地支架。本桥边、中跨比L1/L2=65/120=0.542。箱梁的箱和室使箱中的室最小化，因每个室都需要内模，腹板间距以57m为宜。然而提供 少数目的厚腹板以抵抗

6、剪力是较经济的，进一步说，厚腹板也使预应力筋的布置和锚 固变得容易，并且也改进了混凝土的浇注条件。腹板的间距主要考虑由顶部翼缘板在 活载下传递的横向弯矩，顶板的悬臂部分必须适于避免悬臂根部横向较大弯矩的产 生。箱和室的数目及腹板个数取决于桥梁的宽度，常见桥宽与箱室关系表如下：桥宽与箱室关系表桥宽B(m)单箱单室双室分离双箱(四腹板)分离三箱分车道两双箱B15V15B20V18B25V22B35V梁高主跨箱梁跨中截面的高跨比h0(1/46.2-1/86)L2,通常为(1/541/60) L2，在箱 梁根部的高跨比h苻(1/151/20.6) L2，大部分为(1/18) L2左右。本桥/L2 =

7、1/48, hL2 = 1/18.46。一般情况下，可采用2次抛物线的梁底变高曲线，但往往会在1/4匕 和1/8L处的底板砼应力紧张，且在该截面附近的主拉应力也较紧张，因而，可将 22次抛物线变更为1.51.8次方的抛物线更合理。本桥箱梁梁底变化曲线以及箱梁 底板厚度变化曲线均采用1.8次方的抛物线。横断面之顶板确定箱形截面顶板厚度一般考虑两个因素：满足桥面横向弯矩的要求和满足布 置纵横向预应力钢筋的要求。最小需15cm，实际设计时一般不小于17.5cm。在配筋 混凝土桥面板中顶板厚度与腹板间距可参考下表数据。本桥箱梁顶板厚度采用28cm。顶板厚度与腹板间距关系表腹板间距(m)3.55.07.

8、0顶板厚度(cm)18 2020 2528 30横断面之底板在连续梁桥中，箱梁底板厚度随负弯矩的增大而逐渐加厚全根部，根部底板厚 度厚跨比通常为(1/1401/160) L2，以符合施工和运营阶段的受压要求，并在破坏 阶段使中性轴尽量保持在底板以内。跨中底板厚度一般为2032cm，以满足跨中正负弯矩变化及板内配置预应力钢筋与普通钢筋的需要。但当底板不配置预应力钢束 时，最小厚度可达12cm，底板若太薄则容易开裂，主要还应考虑腹板和底板间纵向 剪力的结合效应即箱梁的剪力滞效应。常规设计底板厚应大于17.5cm，本桥根部底板 厚度采用80cm，跨中底板厚度采用28cm。为显的整个结构的轻巧，箱梁梁

9、底曲线及 底板厚度变化曲线均采用1.8次抛物线线形。横断面之腹板箱梁腹板主要承受截面剪力和主拉应力。在大跨径预应力混凝土连续箱梁中， 箱梁腹板内布置下弯束使得梁内的剪应力和主拉应力较小，腹板厚度的增大也可减小 主应力值，同时腹板的厚度宜从跨中向支点逐渐增加，以承受支点处较大的剪力，一 般采用3080cm。箱梁腹板厚度的确定应考虑三个方面，一为抵抗剪力Q和扭矩 MT引起的剪应力和主拉应力的最小板厚；二为混凝土浇注施工方便及质量保证；三 为预应力筋（束）的锚固要求及局部应力的分散。本桥采用45-70cm，在一个梁段 内完成变化，同时针对近年来部分大跨连续梁桥边跨现浇段及边跨合拢段出现的不同 程度的

10、斜裂纹现象，本桥边跨现浇段及边跨合拢段腹板宽度采用等同中跨支点腹板宽 度处理，越过边跨合拢段后在一个梁段内完成变化。横断面之翼板箱形截面顶板两侧挑出的悬臂板长的也是调节顶板内弯矩的重要因素，一般可 取悬臂长度为腹板间距之半。当配置横向预应力筋时，悬臂应尽量外伸。翼缘板悬臂 端高度宜薄不宜厚，对于无横向预应力筋时一般取1215cm，对于配置横向预应力 筋时一般取1520cm。翼缘板根部高度不小于（12+0.1倍悬臂长）cm，同时此时需 匹配1610横向钢筋，实际厚度根据桥面板横向计算取得。本桥翼缘板悬臂端高度 取18cm，根部取70cm。同时为便于纵向预应力钢束的布置，加大预应力合力偏心， 腹板

11、对称采用横向150cm加腋。横隔梁的设置箱梁横隔梁的主要作用是增加截面横向刚度，限制畸变应力，对于单箱单室截 面，目前的趋势是不设置横隔梁，只在支点处为满足支座布置及承受支座反力需要而 设置横隔梁，同时为便于设计及施工，中跨支点处横隔梁的设置宜尽量简化。桥梁工程实例中国虎门大桥辅航道桥、黄石长江大桥、三门峡黄河大桥、澳大 利亚Gateway均为预应力混凝土连续刚构桥，其具体上部结构箱梁的设计指标如下：预应力混凝土连续刚构桥箱梁技术指标表桥名跨径（m）桥面宽（m）箱梁高箱梁宽根部高（m）跨中高（m）箱宽（m）悬臂宽（m）虎门大桥辅航道桥2701514.8574澳大利亚Gateway桥26021.

12、9315.685.2124.97黄石长江公路大桥2452013.05.2104.80三门峡黄河公路大桥16017.58.03.09.04.25箱梁细部尺寸比较表桥名顶板厚度（cm）底板厚度（cm）腹板宽度（cm）悬臂顶板端部顶板肋腋顶板中部梁跨中梁根部梁跨中梁根部虎门大桥辅航道桥154525321304060澳大利亚Gateway桥154525301506575三门峡黄河公路大桥1552252510040652、纵向整体计算计算原理总体静力计算采用平面杆系理论，以主梁轴线为基准线划分结构离散图，全桥 共分88个单元，89个节点，梁端及墩顶支承处横隔梁截面计算采用横隔梁侧面的连 续梁截面简化处理

13、。总体计算根据桥梁施工流程划分施工阶段和运营阶段进行计算， 根据设计的合拢方法模拟合拢计算步骤，根据荷载组合要求的内容进行内力、应力、 位移等的计算，验算结构在施工阶段、运营阶段应力、主桥箱梁极限承载力是否符合 规范要求。采用挂篮悬浇施工，单个挂篮总重800kN （包括模板及机具重量），总体 计算采用桥梁博士 3.0进行计算。边界条件的处理：施工阶段边跨现浇段支承按固接处理，中墩按固接支承处理； 成桥及运营阶段各墩按固定铰支座及活动铰支座处理。计算荷载组合本桥箱梁按照全预应力混凝土构件进行设计，承载能力极限状态强度验算按照 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）第4.1.6条基本组合

14、规定进行设计；正常使 用极限状态截面拉应力设计按照公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）第4.1.7条 作用短期效应组合规定进行设计，截面压应力设计按照公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004 )第4.1.7条和公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)第7.1.1条规定进行设计。箱梁纵向计算书箱梁纵向计算书采用桥梁博士报表输出模板编制，计算书附后。3、箱梁横向计算箱梁为单箱单室断面，悬臂4.125m，箱体宽8m，桥面板横向施加预应力。箱梁 横向采用闭合框架模式计算，顺桥向取1延米，支座设置于腹板底位置，如下图所示：箱梁横向计算图示计算荷载需考虑汽车荷载、

15、非线性温度变化等因素，对于活载来说，车轮处于 不同位置时的纵向有效影响长度是不同的，因此需将不同位置的荷载折算成每延米， 再用折线活载影响线的方法计算。由于桥面板厚度较薄，腹板左右截面内力突变较大，实际设计中，桥面板横向 几乎不可能做到全预应力，本桥的横载+温度工况按全预应力设计，横载+活载+温度 工况按部分预应力混凝土 A类构件设计。箱梁横向计算计算书附后。4、预应力筋布置、设计自广州洛溪大桥开创引进瑞士群锚设计施工工艺先河后，大吨位群锚体系在我 国取得了迅猛的发展。本桥借鉴国内已建及在建大跨径梁桥的成功设计及施工经验， 纵向束采用OVM.M群锚体系。纵向束布置分为悬浇预应力束和连续预应力束

16、两类， 随着悬臂施工的加长，悬臂梁的恒载弯矩逐渐增加，对称布置在悬臂梁顶部的预应力 束承受此增加的恒载负弯矩；连续预应力束主要是在悬臂施工完成后，结构受力体系 由悬臂结构合拢转换为连续结构，需抵抗合拢后的跨中附近截面的正弯矩以及内力重 分布。另外还要考虑承受的桥面二期恒载、活荷载、温度变化引起的荷载等。本桥纵 向预应力钢束规格为GB/T 5224-2003标准1X 7股高强低松弛钢绞线，中S15.2-19和 中S15.2-12组合，张拉控制应力0.75%,考虑梁段施工周期的不稳定性及同一梁段分 批张拉预应力产生的松弛损失，顶板束采取四束对称布置，对称张拉。箱梁纵向钢束的腹板弯起束设计经验：在腹

17、板变厚的梁段，其剪应力及主拉应 力均比相邻梁段增大，为达到削弱剪应力及主拉应力突变峰值的目的，常将腹板弯起 束延长设置道腹板变厚梁段。箱梁桥的顶板横向跨度较大时或其他形式的截面梁的横隔梁，常施加横向预应 力，以帮助承受横桥向的弯拉应力，并加强桥梁的横向联系。横向预应力的设置可以 采用直线形配束，也可以采用曲线形配束，据受力需要及构造情况而定。一般情况下， 桥梁顶板结构中横向预应力钢束数量为57kg/m2。横向预应力钢束型号同纵向束， 均布置在箱梁顶板内，顺桥向采取1束/0.5m间距布置，横向束采用OVM.M扁锚体 系，构造上减小顶板的厚度，实现了按内力需要来布设预应力钢束。钢束采取单端张 拉，

18、张拉控制应力0.75f）k。对悬臂施工的桥梁，为了主动抵抗和减少截面较大的剪力作用，并考虑结构斜 截面抗剪的安全储备，在布设腹板弯起钢束的同时设置JL32竖向预应力粗钢筋。竖 向预应力钢筋布置在箱梁腹板内，根据受力需要和构造要求，顺桥向平均每0.5m梁 段内，横桥向布置两根。单根控制张拉力为673.1kN，顶端一端张拉。5、普通钢筋的设计当混凝土立方体试块受压破坏时，可以清楚地看到混凝土立方体试块侧向受拉 破坏的形态。也即预应力仅在某一个方向上施加了预压应力，而在其正交方向却会产 生相应的侧向拉应力，这是预加应力的最基本概念，因而，在预应力混凝土结构中必 须配置一定数量的非预应力钢筋，以保证预

19、压应力的可靠建立。本桥参照已建及在建 众多大跨连续梁桥优秀设计经验，箱梁纵向受力钢筋采用中16,横向顶板上层钢筋、 腹板承托钢筋、腹板箍筋、底板倒角钢筋均采用中16,为有效抵抗箱梁横向桥面板及 底板内正弯矩，顶板下层及底板上、下层钢筋均采用中20，同时为了避免预应力钢束 锚固区局部应力集中产生裂纹，对梁体内连接有齿板的梁段及其前一个梁段的齿板覆 盖区域内箱梁纵向钢筋加粗，采用中20，腹板内撑筋采用中12。由于箱梁腹板受剪的 同时，同时横向受弯，并可能产生剪弯组合，因而箍筋的设计（箍筋直径、间距）要 经过仔细的计算，留足富裕的空间。6、考虑施工因素的设计挂篮设计自德国Bendorf大桥60年代采

20、用挂篮悬臂浇注施工技术以来，挂篮悬浇技术在大跨径梁式桥梁的应用取得了长足发展。大桥设计对挂篮施工的要求：1）各悬臂施 工梁段保持平衡施工；2）挂篮自重不得大于梁段自重的0.4倍，同时挂篮应设有调 整60mm竖向挠度的功能。挂篮的总体设计思路参照广和大桥轻型挂篮的设计与施工水运工程总 331 期第 8 期 2001 年 8 月，文献编号 1002-4972（2001）08-0071-03）。0号块设计箱梁0号块的设计首先必须满足承载能力极限状态下的强度验算要求和正常使 用极限状态下的应力验算要求。0号块顺桥向长度的设计必须要考虑悬臂施工采用挂 篮的形式，保证挂篮拼装就位并对称行走到1号块的工作空

21、间。基桩、承台、墩身完 成后，在1、2号主墩两侧搭支架及临时支撑，在1、2号墩顶安装永久支座及临时锚 固设施，立模浇筑墩顶0号梁段混凝土，在混凝土达设计强度的90%后，张拉0号梁 段纵向预应力钢束T0、W0及临时锚固预应力钢束，形成临时T构，形成临时T构 的临时锚固措施必须能保证克服倾覆稳定，使梁段无论是在对称平衡悬臂状态还是在 遇到不对称悬臂荷载时能正常施工并保证其处于稳定和可靠状态。本桥临时锚固支撑 体系对称布置在主墩两侧，这样不仅对梁提供了有效的固定和稳定性能，而且在给定 上部施工荷载的作用下，较墩顶直接设置临时固定支座更能削减墩顶负弯矩的峰值。 后期合拢段施工时拆除临时支撑体系也较拆除

22、传统临时固定支座采用的硫磺砂浆等 措施更为方便。边、中跨合拢段体系转换设计本桥按T构一连续梁顺序合拢，见下图此方法的具体程序是将所有悬臂施工部分由简单到复杂底连接起来，最后在边 跨或次边跨合拢。其优点是对于大跨和多跨连续梁桥的施工能尽可能多地布置工作 面，也可以对称地悬浇合拢，故对工期较紧的长联连续梁桥施工尤其适用。此外由于 可对称地悬浇合拢，故对结构的受力分析较为有利，对收缩徐变的控制尤其如此。其 缺点是在结构总合拢前，单元呈悬臂状态的时间较长，稳定性较差，在风力较强时应 停止施工。预应力混凝土连续梁贺龙的技术措施就是使墩、梁固接，而后采取在箱梁顶板、 底板预埋钢板，利用内、外刚性支撑和临时

23、张拉永久性的部分预应力钢束来锁死合拢 口，以抵抗升温产生的膨胀力和降温产生的收缩变形。因为合拢期很短，在此期间混 凝土发生的徐变很小，可予以忽略，则刚性支撑上所受的压力基本上为梁升温产生的 轴向力。一般情况下，合拢段混凝土浇注在当天气温最低时开始，假定合拢期间梁产 生15 r的升温，则对中、大跨径的箱型梁来说，由于其截面较大，将会产生数千吨 的温度内力，如此大的力是一般刚性支撑杆件无论从杆件结构本身还是连接承载力都 是难以承受的。故为了节省临时工程费用及施工方便，宜在合拢口临时措施锁定后立 即释放一端支座的固接约束，使梁一端在合拢口锁定后能沿支座自由伸缩。临时束的 张拉力一般宜控制在0.450

24、.5fpk，以防止在合拢过程中预应力束过载而需要换束。 合拢段混凝土宜比悬臂箱梁体提高一个等级，并要求早强，最好采用膨胀混凝土，并 需作特殊配合比设计，浇注时应认真振捣和养生。四、主桥下部设计1、支座选择及布置方式的研究对于预应力混凝土连续梁桥，在上部主梁和墩之间要设置桥梁支座。桥梁支座 的作用是传递上部结构的支撑反力，包括恒、活荷载引起的竖向力和水平力，是上、 下部结构的联结纽带，且是受力非常集中的薄弱构件，一旦发生故障，如果要更换支 座则就是一个巨大的工程。正确的支座布置是保证上部结构在活载、温度变化和混凝 土收缩徐变等因素作用下的自由变形，使上、下部结构的实际受力情况复核结构的力 学图示

25、必要条件。为使连续梁桥的纵向变形分散在梁的两端，一般将固定支座设置在 靠中间的支点处；如果中间支点处的桥墩较高或因地基受力等因素对承受水平力十分 不利时，可酌情将固定支座布置在靠边的其他墩台上。 F W. .+ |. 一 1 (A)错误的支座布置*44*4*-4 + S+ttt+j1 -111(B)正确的支座布置T纵横固定 一 + 纵滑横移+横滑纵移一+ 纵滑横移如果按上图A的布置方式则在横桥向的温度变形、荷载变形均受到约束，从而 导致了主箱梁的纵向开裂，这种现象在国内多座大桥上均出现过，必须引起重视。本 桥设计遵循新规范设计理念，支座选择时考虑地震力的作用，选用抗震支座。2、墩身尺寸的拟定本

26、桥主墩最初设计为薄壁空心墩，后经专家咨询，认为墩身不是太高，设计为 空心墩的必要性不大，混凝土量节省不多，空心内模施工亦较繁琐，同时墩顶平面为 了解决局部支反力而造成配筋处理的麻烦，修改设计调整为厚4m，宽8m薄壁实心 墩，后优化设计壁厚调整为3m。为了增加结构的景观效果，业主建议墩身设计为倒 切角棱台形，后经综合设计与施工方便考虑，墩身采取自上而下全断面倒角处理，设 计为六棱柱体。边墩设计考虑箱梁后期养护人员检修箱室方便，边墩设计为薄壁墩， 墩身宽8m，壁厚1.5m，检修爬梯设于边墩上。3、承台设计主墩承台外形设计充分考虑桥位处潮汐的影响，端部设计为鱼嘴形，最大限度 地减小桥梁实施后对航道的

27、影响，设计保证在最低通航水位水位时，承台底不致于露 出水面。结构计算采用新桥规“撑杆一系杆”理论进行设计。设计参照水利部门的意 见，承台施工采用钢板桩围堰施工。边墩承台设计按普通承台设计，顶面覆土 0 50cm,结构计算同样采用“撑杆一系杆”理论进行设计。4、钻孔灌注桩基础设计本桥主墩位于水中，从大石水道特大桥防洪评价报告（水利部珠江水利委员 会科学研究所2005293）查得桥位处一般冲刷深度为4.295.33m，同时考虑到主墩 墩位处淤泥质地层埋藏较深，墩位处地基土对桩身侧限较弱，基桩由最初6根中1.8m 调整为6根中2.0m，均为嵌岩桩，嵌岩深度不小于2.5D。设计计算按群桩基础理论 进行

28、计算。边墩位于岸上，基桩设计为4根中1.5m，按嵌岩桩设计，嵌岩深度不小于 2.5D。五、设计中存在的问题及对同类型桥梁的改进方案主桥箱梁几经修改，除了一些技术方面可以商讨的外，更多的反映出设计经验 的欠缺和设计思路的片面性，以下就设计中存在的问题作一些分析。1、箱梁梁段分块长度的选取。最一开始没有考虑到0号块顶拼装挂篮所需要的 工作空间，导致最后审查提出将原0号块和1号块合并为0号块，经查阅既有一些桥 梁挂篮设计施工工艺，0号块的长度也不宜过长，否则造成支架现浇的难度加大，常 规一般控制在912m。箱梁梁段分块应最大限度地模拟施工进度，本桥箱梁梁段划 分过多地考虑了各个梁段重量趋于均衡，忽略了挂篮工作系数是以最重梁块控制的， 造成梁段分块种类过多，一般梁段长度分类23类。2、箱梁0号块设计。箱梁0号块横隔板的设置宜尽量简化，方便设计与施工；0 号块的设计要与悬臂施工临时支撑体系、