混凝土橋梁類型選取及其斷面設(shè)計(jì)要點(diǎn)

宋文蕊

（衡水市公路勘測(cè)設(shè)計(jì)所，河北 衡水053000）

0 引言

鋼筋混凝土橋梁是公路橋梁建設(shè)應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)類型之一，無(wú)論是公路、鐵路還是城市橋梁，絕大部分為鋼筋混凝土橋。因此，合理地設(shè)計(jì)混凝土橋梁的斷面及其類型也成了橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 混凝土橋梁斷面設(shè)計(jì)

1.1 混凝土橋梁縱斷面設(shè)計(jì)

混凝土橋梁縱斷面設(shè)計(jì)又稱橋孔設(shè)計(jì)，主要包括橋孔長(zhǎng)度、橋孔布設(shè)、橋面高程的確定，以及墩臺(tái)基礎(chǔ)沖刷計(jì)算與最小埋量埋深、橋頭引道設(shè)計(jì)等。橋孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的目的是在保證橋梁安全營(yíng)運(yùn)情況下，順暢渲泄洪水（包括設(shè)計(jì)洪水）的水流和泥砂，避免河床產(chǎn)生不利變形?；炷翗蛄旱难莺閮艨讖皆O(shè)計(jì)得過(guò)小，將使洪水不能全部從橋下通過(guò)，從而抬高了橋前的壅水高度，加大了橋下的水流速度，對(duì)河床和河岸產(chǎn)生沖刷，甚至引起墩臺(tái)失穩(wěn)、路堤決口等重大事故。工程實(shí)踐效果表明，對(duì)于橋梁的分孔應(yīng)考慮較多因素。如果橋梁分孔過(guò)多，雖然橋跨結(jié)構(gòu)路徑小且相對(duì)經(jīng)濟(jì)，但橋墩數(shù)目的增多，可能使綜合造價(jià)增大。反之，分孔過(guò)少，墩臺(tái)的造價(jià)可能降低，但橋梁結(jié)構(gòu)因跨徑增大，造價(jià)也隨之提高。最經(jīng)濟(jì)的路徑就是使上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的總造價(jià)最低。顯然，對(duì)于橋墩較高或地質(zhì)不良的情況，適宜選取跨徑較大的橋梁；反之，當(dāng)混凝土橋墩較矮或地質(zhì)較好時(shí)則適宜選取跨徑較小的橋梁，但也應(yīng)當(dāng)選取標(biāo)準(zhǔn)跨徑。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要對(duì)不同跨徑布置加以比較分析，從而選取更為經(jīng)濟(jì)合理的跨徑及孔數(shù)。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者總結(jié)出橋孔布設(shè)時(shí)應(yīng)考慮以下原則：

（1）應(yīng)當(dāng)結(jié)合河床變形和流量不均勻分布的影響，即橋孔布設(shè)應(yīng)與天然河流斷面流量分配相適應(yīng)；

（2）對(duì)于通航和筏運(yùn)的河段，應(yīng)充分考慮河床渲變所引起的航道變化，將通航孔布設(shè)在穩(wěn)定的航道上，必要時(shí)可預(yù)留通航孔；

（3）在主流深泓線上不建議布設(shè)高橋墩，在斷層、陷穴等不良地質(zhì)段更不宜布設(shè)墩臺(tái)；

（4）在有流冰、流木的河段上，可適當(dāng)加大橋孔，而且必要時(shí)可考慮在墩臺(tái)上設(shè)置破冰體。

1.2 橋面高程的確定

混凝土橋面高程實(shí)際上控制著橋梁的高度，應(yīng)結(jié)合橋下的設(shè)計(jì)水位、是否為道航、橋型以及橋梁所在道路的斷面設(shè)計(jì)來(lái)確定。無(wú)論是鋼筋混凝土還是預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式板橋，混凝土橋梁跨徑越大，實(shí)心矩形截面就顯得越不合理。為此，應(yīng)適當(dāng)對(duì)截面中間部分進(jìn)行挖空而形成空心板，因?yàn)榭招陌宀粌H有助于減輕自重，同時(shí)還可以有效地利用材料?？招陌宓拈_(kāi)孔型式如圖1 所示，其中（a）型和（b）型為單孔，挖空率大、重量輕，但頂板需配置橫向受力鋼筋承擔(dān)荷載的作用，且（a）型頂部略呈拱形，雖可節(jié)省一些鋼筋，但模板較復(fù)雜；（c）型和（d）型為雙圓孔形，其中（c）型為雙圓孔，施工時(shí)可用無(wú)縫鋼管（或充氣囊）作芯模，但挖空率小，自重較重。

圖1 空心板截面形式

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)跨徑為13m的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋構(gòu)造，原規(guī)范荷載等級(jí)為汽車—20 級(jí)，掛車—100；橋面凈空為凈—7m+2×0.25m 的安全帶，總寬為8m，由8 塊寬99cm 的空心扳組成，板與板之間的間隙為1cm；板全長(zhǎng)12.96m，計(jì)算跨徑126m，板厚60cm。

混凝土橋面中心標(biāo)高確定后，可根據(jù)兩端橋頭的地形和線路要求來(lái)設(shè)計(jì)橋梁縱斷面及橋面線型：一般的小橋，通常做成平坡橋；對(duì)于大、中橋，常常把橋面做成從橋中央向橋頭端縱坡為1%~2%的雙坡面，尤其是應(yīng)通航要求橋面標(biāo)高較高情況，為了縮短引橋和降低橋頭引道路堤的高度，更有必要采用雙向傾斜的縱向坡度；對(duì)于大中橋橋上的縱坡不宜大于4%，橋頭引道不宜大于5%，位于市混合交通繁忙處，橋上縱坡和橋頭引道縱坡均不得大于3%。

1.3 橋梁橫斷面設(shè)計(jì)

混凝土橋梁橫斷面設(shè)計(jì)，主要是確定橋面寬度、與此相適應(yīng)的橋跨結(jié)構(gòu)寬度與橫斷面的布置。為了保證車輛和行人的安全通過(guò)，應(yīng)在橋面以上垂直于行車方向保留—定界限的空間，這個(gè)空間為橋面凈空。

2 橋梁選型設(shè)計(jì)

混凝土橋梁的構(gòu)造類型決定其獨(dú)特的受力特點(diǎn)及其應(yīng)用，下面結(jié)合具體實(shí)踐，對(duì)受力不同的簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、懸臂梁橋進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

（1）簡(jiǎn)支梁橋

簡(jiǎn)支梁屬于靜定結(jié)構(gòu)且相鄰橋孔各自單獨(dú)受力，故結(jié)構(gòu)內(nèi)力不受墩臺(tái)基礎(chǔ)不均勻沉降影響，從而能適應(yīng)于地基土較差的橋位。簡(jiǎn)支梁主要受其跨中正彎矩的控制，當(dāng)橋梁跨徑增大時(shí)，梁的跨中截面恒荷載彎矩和車輛荷載等作用產(chǎn)生的彎矩將會(huì)顯著增大。恒荷載彎矩所占的比例較大時(shí)(混凝土橋梁的跨徑增大)，梁能承受的活荷載能力就減小。顯然對(duì)于采用鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的橋梁來(lái)說(shuō)，其常用跨徑應(yīng)控制在20m以下。當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支板時(shí)，常用跨根適宜控制在13~16m。對(duì)于采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的，則跨徑適宜控制在25~50m。

（2）連續(xù)梁橋

連續(xù)梁橋是采用連續(xù)梁作為橋跨結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的梁式橋。連續(xù)梁在豎向力的作用下支點(diǎn)截面會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩，從而可有效地減小梁跨中截面的正彎距，正因?yàn)檫@一受力特點(diǎn)可顯著地減小梁跨中的建筑高度、節(jié)省混凝土數(shù)量，工程實(shí)踐表明這種類型的橋梁跨徑越大，節(jié)省效果越明顯。連續(xù)梁作為超靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)支點(diǎn)不均勻沉降時(shí)，就會(huì)使各跨產(chǎn)生附加內(nèi)力，所以對(duì)這種類型的橋梁墩臺(tái)要求嚴(yán)格。從當(dāng)前的應(yīng)用效果來(lái)看，鋼筋混凝土連續(xù)梁的主孔跨度適宜用于30m 以下，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的主孔常用范圍則適用于40~160m。

（3）懸臂梁橋

將簡(jiǎn)支梁梁體加長(zhǎng)，并越過(guò)支點(diǎn)就成為懸臂梁。如果僅僅橋梁的一端懸臂則為單懸臂梁，兩端懸臂則為雙懸臂梁。對(duì)于較長(zhǎng)的橋可以借助簡(jiǎn)支掛梁與懸臂梁一起組成多孔橋。在受力方面，懸臂部分使支點(diǎn)上產(chǎn)生負(fù)彎矩，減少跨中的正彎矩。顯然對(duì)于相同的跨徑，懸臂梁跨中高度可比簡(jiǎn)支梁小。懸臂梁屬靜定結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)的不均勻沉降并不會(huì)引起橋梁的附加應(yīng)力。帶掛梁的懸臂梁，掛梁與懸臂連接處的構(gòu)造比較復(fù)雜，撓度曲線在這個(gè)連接處有折點(diǎn)，從而會(huì)加大汽車荷載的沖擊作用，因此容易出現(xiàn)損壞。

通過(guò)對(duì)以上幾種受力不同類型的混凝土橋梁分析，在墩臺(tái)上必須設(shè)置專門(mén)的傳力和支承部件即支座。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于混凝土梁式橋梁還有T形剛構(gòu)橋和連續(xù)剛構(gòu)橋。T形剛構(gòu)橋是—種具有懸臂受力特點(diǎn)的梁式橋，它是從橋墩上伸出總臂段，形同“T”字，在橋跨中部以及簡(jiǎn)支掛梁組成的受力結(jié)構(gòu)。對(duì)于帶掛梁的T形剛構(gòu)橋是靜定結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)的主孔常用跨徑在60～200m 范圍。連續(xù)剛構(gòu)橋綜合了連續(xù)梁和T 形剛構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)把主梁做成連續(xù)梁與薄壁橋墩固結(jié)。鑒于薄壁橋墩作為一種柔性橋墩，在豎向荷載作用下，連續(xù)剛構(gòu)橋基本上是無(wú)推力的受力體系，而梁具有連續(xù)梁的受力特點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的主孔路徑已達(dá)到270m。T 形剛構(gòu)和連續(xù)剛構(gòu)橋的主梁與橋墩均為固結(jié)，是不在墩上設(shè)支座的梁式橋。

3 橋梁支座設(shè)置

鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋在橋跨結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)之間均須設(shè)置支座，用于傳遞上部結(jié)構(gòu)的支承反力，包括恒荷載和活荷載引起的豎向力和水平。通過(guò)支座設(shè)置可有效地確保橋梁結(jié)構(gòu)在活荷載、溫度變化、混凝土收縮和徐變等作用下實(shí)現(xiàn)自由變形，以使上、下部結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況符合結(jié)構(gòu)的計(jì)算圖式。梁式橋的支座一般分固定支座和活動(dòng)支座兩種。固定支座既要固定主梁在墩臺(tái)上的位置并傳遞豎向壓力和水平力，又要保證主梁發(fā)生撓曲時(shí)在支承處能自由轉(zhuǎn)動(dòng)?；顒?dòng)支座只傳遞豎向壓力，但它要保證主梁在支承處既能自由轉(zhuǎn)動(dòng)又能水平移動(dòng)。

按照各種類型橋梁的計(jì)算圖式，簡(jiǎn)支梁橋應(yīng)在每跨的主梁端設(shè)置固定支座，另一端設(shè)置活動(dòng)支座。懸臂梁橋的梁錨固端也應(yīng)在一側(cè)設(shè)置固定支座，另一側(cè)設(shè)置活動(dòng)支座。多孔懸臂梁橋掛梁的支座布置與簡(jiǎn)支梁相同。連續(xù)梁橋應(yīng)在每聯(lián)主梁中的一個(gè)橋墩（或橋臺(tái)）上設(shè)活動(dòng)支座，其余墩臺(tái)上均應(yīng)設(shè)活動(dòng)支座。此外，懸臂梁橋和連續(xù)梁橋在某些特殊情況下梁的支座需要傳遞豎向拉力時(shí)，應(yīng)設(shè)置同時(shí)能承受拉力的支座。

4 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，橋梁跨徑布置、斷面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型等都是橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。橋長(zhǎng)及跨徑布置應(yīng)滿足水文計(jì)算要求所確定的橋長(zhǎng)，盡量不壓縮河床斷面，以保證滿足泄洪、排澇的需要。另外，應(yīng)當(dāng)結(jié)合橋梁跨度等因素綜合選取橋梁類型。

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