預應力混凝土連續(xù)箱型截面梁橋設計技術探討

楊 鵬 侯 爽 羅玉強

(1.四川農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，四川都江堰 611800;2.四川農(nóng)業(yè)大學商學院，四川都江堰 611800)

0 引言

預應力混凝土連續(xù)箱型截面梁橋因具有較強的剛度、變形小、受力性能好的特點，并且因伸縮縫少、行車舒適、造型簡潔美觀、養(yǎng)護簡單、抗震性能強等優(yōu)點而成為業(yè)主逐漸青睞的橋型之一。

1 立面設計

1.1 跨徑布置

連續(xù)梁跨徑布置一般采用不等跨的形式。若采用等跨布置，則邊跨內(nèi)力將控制全橋設計，極不經(jīng)濟。此外，邊跨過長，削弱了邊跨的剛度，將增大活載在中跨跨中截面處的彎矩變化幅值，增大預應力束筋數(shù)量。一般邊跨長度可取為中跨的0.5倍～0.8倍，對鋼筋混凝土宜取偏大值，使邊跨與中跨控制截面內(nèi)力值基本相同;對預應力混凝土連續(xù)梁宜取偏小值，以增加邊跨剛度，減少活載彎矩的變化幅度和預應力筋的用量。中跨跨長與邊跨跨長的比值與施工方法的選取緊密聯(lián)系。對于現(xiàn)澆橋梁，邊跨長度與中跨長度比值取為0.8，滿足經(jīng)濟性的要求。對于采用懸臂施工法，由于有一段邊跨需布置支架進行現(xiàn)澆，為滿足結(jié)構內(nèi)力變化的合理性，以及減少支架的工程量，根據(jù)國內(nèi)外已經(jīng)建成橋梁的經(jīng)驗，邊跨長度與中跨長度比值取為0.55～0.65為宜。從結(jié)構受力來看，不等跨的連續(xù)梁的受力性能比等跨連續(xù)梁要好很多。但在某些特殊情況下，如由于施工要求，則需要采用等跨布置。當采用頂推法或先簡支后連續(xù)梁施工方法對總長度很大的橋梁施工時，則可以從經(jīng)濟效益的提高來彌補因等跨結(jié)構受力性能不佳所帶來的缺陷。故跨越江、湖、海灣的橋梁大部分采用等跨連續(xù)梁的布置方式。

1.2 橋梁線形布置

1)變高度梁。在恒、活載作用下，支點處出現(xiàn)較大負彎矩，從絕對值來看，支點處的負彎矩通常大于跨中截面的正彎矩。因此，為更好地滿足橋梁不同高度處的內(nèi)力變化，常采用變高度梁。而且變高度梁與環(huán)境更為和諧，并節(jié)約材料，增加橋下凈空。變高度梁的截面變化通常采用的形式有拋物線、圓弧線和折線。由于二次拋物線的形式與連續(xù)梁的彎矩變化規(guī)律相似，故常用二次拋物線;為便于施工、簡化橋梁構造，在中小跨徑的橋梁中常采用折線形。

2)等高度梁。有時由于施工需要，如采用頂推法、移動模架法等，一般采用等高度梁。等高度梁的缺點是:在支點處較大的負彎矩只能用增加預應力筋的量而不能利用增加梁高的方法予以抵抗，材料用量增加，因而造價增大，但是構造簡單、施工方便。一般用于如下情況:a.以40 m～60 m中等跨徑為主的橋梁，采用該種形式，可以提高施工速度。并且由于跨度小，梁的截面的內(nèi)力差異小，一般可以通過構造措施來滿足。b.采用特殊的施工方法，如支架施工法、逐跨架設施工法。

1.3 梁高

連續(xù)梁橋的支點處主梁高度與跨徑的比值通常取為1/15～1/25，而跨中截面處一般取為1/40～1/50。當建筑高度不受限制時，增加梁的高度往往是較經(jīng)濟的解決方案，因為梁的高度增大對混凝土用量影響不大，但預應力筋用量卻能顯著減少。連續(xù)梁在支點和跨中的梁高估算值見表1。

表1 連續(xù)梁在支點和跨中的梁高估算值

2 橫截面設計

梁式橋橫截面的設計主要是截面形式的布置與選擇，主要包括主梁截面形式、主梁各細部尺寸、主梁間距。它與橋梁體系的立面布局、施工方法、審美要求以及經(jīng)濟性等因素密切相關。

2.1 截面選取

一般來說，目前預應力混凝土梁式橋的橫截面形式主要有板式、肋梁式和箱型截面三種。從施工工藝來說，主梁橫截面可分為整體式與組合式兩類。

2.1.1 箱型截面優(yōu)點

1)當橫截面的核心距較大時，軸向壓力的偏心距愈大，預應力鋼筋合力的力臂愈大，可以充分發(fā)揮預應力的作用;

2)箱型截面為閉合薄壁截面，因其抗扭剛度大而對彎橋和采用懸臂施工的橋梁頗為有利;

3)因其具有較大面積的頂板和底板，故能有效地抵抗正負彎矩，并利于鋼筋的布置;

4)具有良好的動力特性，以及收縮變形較小。已建成的跨度超過40 m的預應力混凝土梁橋中，橫截面大部分采用箱型截面。

2.1.2 箱型截面形式

箱型截面常見的形式有:單箱單室、單箱雙室、雙箱單室、單箱多室、雙箱多室等。單箱單室截面具有受力明確、施工方便、材料用量少等優(yōu)點。

單箱單室和單箱雙室截面，雖然對截面腹板和底板的尺寸影響較小，但是對頂板厚度的影響卻比較明顯。單箱雙室式的頂板負彎矩通常比單箱單室式的負彎矩減少50%，而正彎矩則可減少70%。而且單箱雙室式腹板總厚度增加，利于鋼束的布置。

2.2 細部尺寸

2.2.1 頂板厚度

箱型截面梁頂板厚度主要由橋面板橫向彎矩受力要求、縱向預應力束的布置以及橫向受力鋼束的構造要求三個方面的因素共同決定。其中橫向彎矩受力的要求主要與腹板之間的距離和集中荷載大小有關。頂板厚度參考尺寸見表2。

表2 頂板厚度尺寸

2.2.2 底板厚度

箱型截面的底板作為承受結(jié)構彎矩的主要部位，受力和構造要求兩個因素控制其尺寸大小。從連續(xù)梁跨中截面到墩頂截面，負彎矩逐漸增大，為滿足連續(xù)梁的受壓要求，底板厚度也應增大。

根據(jù)國內(nèi)外已經(jīng)建成橋梁的經(jīng)驗，墩頂處底板厚度一般取為梁高度的1/12～1/10;對預應力混凝土連續(xù)梁，跨中區(qū)段主要承受正彎矩，為受力以及滿足底板需配置預應力筋和普通鋼筋的要求，底板板厚一般取為200 mm～250 mm。

2.2.3 頂板兩側(cè)懸臂板

箱型截面梁頂板兩側(cè)懸臂板的長度是調(diào)節(jié)頂板內(nèi)彎矩的重要因素。集中活載的縱向分布隨著懸臂自由長度增加而增加，對彎矩的影響甚小。但是恒載及人群荷載彎矩隨懸臂長度幾乎呈平方關系增加，故在大懸臂狀態(tài)時，宜設置橫向預應力束減薄懸臂根部的厚度。懸臂長度一般取2 m～5 m，當長度超過3 m后，一般需布置橫向預應力束。

2.2.4 腹板厚度

腹板具有承受截面剪應力和主拉應力的作用。在預應力箱梁中，腹板厚度比鋼筋混凝土梁小，這主要是預應力束提供的預剪力抵消了一部分彎曲剪切力。但腹板的最小厚度應滿足構造及施工要求，其設計經(jīng)驗為:

1)腹板中無預應力筋時，最小厚度為200 mm;2)腹板中布置預應力筋管道時，最小厚度為300 mm;3)腹板中布置錨頭時，最小厚度為380 mm。

2.2.5 梗腋的設置

為提高截面的抗彎和抗扭剛度，減少扭轉(zhuǎn)剪應力和畸變應力以及減少應力集中程度對結(jié)構的影響，使力線過渡比較平緩，在頂板和腹板接頭處須設置梗腋。

通過設置梗腋，利用其所提供的有效空間布置縱向預應力筋和橫向鋼筋，大大減小了底板和頂板厚度。梗腋的布置形式一般為 1∶2，1∶1，1∶3，1∶4 等。箱梁頂部梗腋常采用 1∶3，底部梗腋多采用1∶1 或2∶1 ～3∶1，以利于澆筑底板混凝土。

3 橫隔梁的設置

橫隔梁具有增加截面橫向剛度、限制變形應力的作用，而支撐處的橫隔板還具有承受和分布較大支撐反力的作用。箱型截面與一般肋型的橋梁相比，因其較大的抗扭剛度，故可以有效減少橫隔板的數(shù)量或者取消橫隔梁的設置。

4 結(jié)語

預應力混凝土連續(xù)箱型截面梁橋在結(jié)構形式、建造成本方面均有其自身優(yōu)勢。通過對該橋型初步設計時尺寸初擬，為經(jīng)濟、合理的項目設計提供參考。

［1］范立礎.預應力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［2］JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.

［3］JTG D81-2006，公路交通安全設施設計通用規(guī)范［S］.