預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)分析

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前言

預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁具有外形美觀、整體性能好、施工方便以及抗震性能好等特點(diǎn)，尤其是在行車舒適度方面顯示出了高度的優(yōu)勢(shì)。另外，這種橋型在設(shè)計(jì)和施工方面都具有較為成熟的技術(shù)，并且建成后的養(yǎng)護(hù)工作量也較小，所以在公路、城市和鐵路橋梁工程中運(yùn)用地很廣泛。

1 預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的設(shè)計(jì)理論

在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，不僅要對(duì)橋位所處的地理環(huán)境以及周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，還要對(duì)橋型的特點(diǎn)、施工材料和技術(shù)等相關(guān)知識(shí)了如指掌，這樣才能夠在各種極限的狀態(tài)下保證施工的可行性和安全性。當(dāng)然，除了技術(shù)上的指標(biāo)之外，還要考慮橋型的經(jīng)濟(jì)性和藝術(shù)性。其中，對(duì)橋型的布置和構(gòu)造是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，其成果決定了橋梁設(shè)計(jì)的成敗。

1.1 橋型布置

橋型布置分為兩個(gè)方面:平面布置和立面布置。其中平面布置與路線的方向和河流或者是與被交線路的夾角、橋位所處位置的地質(zhì)和地形等因素有關(guān)系。常見(jiàn)的布置方式有正交、斜交、反向曲線以及單向曲線等。正交橋梁的伸縮縫和墩臺(tái)與主梁中線垂直，這是最簡(jiǎn)單的布置方式;斜交橋梁在滿足行車和宣泄洪水的前提下，既可以與主梁中線垂直，也可以斜交;曲線橋梁的伸縮縫和墩臺(tái)方向通過(guò)徑向布置，目的是便于內(nèi)力分析。

1.2 構(gòu)造設(shè)計(jì)

(1)橋梁橫截面設(shè)計(jì)。截面形式主要是根據(jù)橋梁的跨徑、梁高、寬度、總體布置、支撐形式以及施工方法等多種因素綜合確定。主梁的截面形式的選擇對(duì)施工、經(jīng)費(fèi)以及橋梁的自重和截面的受力性都有影響。

預(yù)應(yīng)力橋梁常采用橫截面形式有板式、肋梁式和箱型式，較前兩種，箱行式的優(yōu)點(diǎn)是抗彎性能和抗扭性能較強(qiáng)。另外，箱形截面沒(méi)有固定的結(jié)構(gòu)，適合支架現(xiàn)澆、懸臂施工等施工方式。箱形截面又可以分為多種形式，常見(jiàn)的單箱單室橋?qū)挷怀^(guò)18m，雙箱單室橋?qū)捯_(dá)到20m，而單箱雙室橋則要高達(dá)25m。

以箱行截面為例，敘述如何確定出底板、頂板和腹板的細(xì)部尺寸。負(fù)彎矩越大，箱梁底板厚度就要越厚，直到根部，所以根部底板厚度通常是根部梁高的1/10～1/12，跨中底板厚度通常是200～250mm。此外，在確定箱行截面頂板的厚度時(shí)，還要考慮橋面橫向彎矩和縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋布置兩個(gè)因素。

箱形截面頂板兩側(cè)的翼板可以調(diào)節(jié)頂板內(nèi)彎矩，通常翼板的長(zhǎng)度是腹板間距的一半。在配置橫向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，翼板要盡可能地向外伸展。腹板的作用是承載截面剪力和主拉應(yīng)力。對(duì)于預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，彎束對(duì)荷載剪力的作用可以降低梁內(nèi)剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力。除了受力因素，還要考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置和在混凝土澆筑后箱梁腹板的厚度，這個(gè)厚度要根據(jù)預(yù)應(yīng)力束管道布置的情況而定。如果布置了預(yù)應(yīng)力束管道，厚度為25～300mm，否則厚度為200mm。

在箱梁細(xì)部構(gòu)造中，也要思考承托的形式和尺寸。承托對(duì)截面的抗彎剛度和抗扭剛度有一定的加強(qiáng)作用。承托所提供的空間方便了縱向預(yù)應(yīng)力筋和橫向預(yù)應(yīng)力筋的布置，在保證構(gòu)造穩(wěn)定的前提下，降低了頂板和底板的厚度。

(2)橫隔梁的設(shè)計(jì)。箱梁橫隔梁可以提高截面的橫向剛度，但是為了滿足構(gòu)造的穩(wěn)定需求，在支點(diǎn)處設(shè)置橫隔梁的同時(shí)還要適當(dāng)?shù)卦O(shè)置中橫隔梁，單箱單室截面除外。至于多箱截面，要在箱間設(shè)置較多的橫隔梁。對(duì)于使用頂推法施工的箱梁，可以臨時(shí)設(shè)置橫向連接，完工后再澆筑支點(diǎn)橫隔梁。

配筋形式與箱梁的支承方式?jīng)Q定了支點(diǎn)處橫隔梁的大小。如果支承是在梁腹板的下面時(shí)，只要在橫隔梁中配置一些普通的鋼筋即可，橫隔梁肋的寬度設(shè)置在300－500mm之間。

2 預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)的要點(diǎn)問(wèn)題

2.1 抗剪問(wèn)題

一是沒(méi)有對(duì)橋梁的抗剪極限強(qiáng)度和抗剪截面尺寸進(jìn)行驗(yàn)算，錯(cuò)誤地用主拉應(yīng)力的驗(yàn)算替代。箱梁腹板尺寸主要是由抗剪極限承載能力決定的，即使主拉應(yīng)力符合規(guī)范，但是在正常使用中的極限狀態(tài)下，抗剪截面尺寸也許會(huì)無(wú)法滿足規(guī)范，會(huì)導(dǎo)致斜裂縫。

二是通過(guò)增加腹筋的方式來(lái)滿足主拉應(yīng)力和斜截面抗剪強(qiáng)度，沒(méi)有對(duì)抗剪截面尺寸進(jìn)行驗(yàn)算。雖然我們可以根據(jù)抗剪公式配置腹筋，從而使得抗剪能力得到提高，但是實(shí)際上，抗剪鋼筋的配筋率達(dá)到一定程度時(shí)就不會(huì)再對(duì)抗剪能力起到提高的作用。同時(shí)滿足截面尺寸小和斜裂縫變寬的情況下會(huì)出現(xiàn)斜壓破壞現(xiàn)象。所以應(yīng)該是通過(guò)加大截面尺寸的方法以提高抗剪能力，而不是增加鋼筋。

三是設(shè)計(jì)者將預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的抗彎?rùn)M向分布增大系數(shù)與抗剪橫向分布增大系數(shù)相同化，導(dǎo)致了腹板出現(xiàn)了斜裂縫。在下部使用獨(dú)柱墩，會(huì)在偏轉(zhuǎn)力的影響下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和變形。

2.2 齒板錨后拉應(yīng)力問(wèn)題

通?？鐝酱蟮念A(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁底板處設(shè)置齒板，尤其是當(dāng)跨徑在40～60m之間。在這種情況下，腹板的抗剪能力會(huì)被降低，從而會(huì)使結(jié)構(gòu)得到破壞。

如果想要避免這種裂縫的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中要注意以下幾點(diǎn):

(1)在相同的斷面中，不能將錨固的預(yù)應(yīng)力鋼束噸位設(shè)置過(guò)大;

(2)要在錨固斷面底板設(shè)置一些壓應(yīng)力儲(chǔ)備，盡可能地避開(kāi)拉應(yīng)力區(qū)設(shè)置錨固預(yù)應(yīng)力鋼束;

(3)因?yàn)檫B接處比較薄弱，所以最好的做法是保證錨固斷面避開(kāi)施工縫。

2.3 徑向力問(wèn)題

如果在工程中發(fā)現(xiàn)部分懸澆施工的預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，在合并后又出現(xiàn)縱向裂縫，那么徑向力會(huì)是引起這種現(xiàn)象的原因之一。

如果將鋼束放置在平面上并且使曲線布置，那么鋼束曲率將會(huì)向混凝土的徑向荷載傳遞，并且對(duì)圓曲線是F/R，產(chǎn)生的折角是Fθ，如下圖:

這種荷載會(huì)引起2個(gè)效應(yīng):一是對(duì)箱梁底板上產(chǎn)生內(nèi)力，但這種內(nèi)力可以根據(jù)框架結(jié)構(gòu)計(jì)算出來(lái);二是鋼束轉(zhuǎn)向處產(chǎn)生集中力，因此要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)底板內(nèi)力進(jìn)行重新組合，配置適量的橫向鋼筋。計(jì)算方式為:A=。其中，θ為折角或圓曲線轉(zhuǎn)角;［σ］為鋼筋容許應(yīng)力;gF為錨固力。

在設(shè)計(jì)中也可以采取以下措施來(lái)避免這種情況:一是將箱梁的底板厚度設(shè)置為超過(guò)通過(guò)底板的最大波紋管外徑的3倍;二是盡可能將鋼束布置在腹板;三是在底板配置足夠多的橫向鋼筋和防崩鋼筋;四是對(duì)合攏高差進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋雖然已經(jīng)具備了較為成熟的設(shè)計(jì)原理和施工技術(shù)，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)中仍存在一些問(wèn)題，還需不斷地改善。

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