預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

陳峰

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,上海市 200092）

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

陳峰

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,上海市 200092）

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展,建造了大量的公路、市政橋梁及地鐵區(qū)間高架橋梁,其中預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁占了不小的比例,量大面廣的預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁直接關(guān)系著我國交通網(wǎng)絡(luò)的安全暢通和有效服務(wù)。介紹了預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn),有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

橋梁工程；預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

0 引言

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的質(zhì)量直接關(guān)乎我國交通網(wǎng)的安全暢通和有效服務(wù),正確設(shè)計(jì)連續(xù)箱梁是保證工程質(zhì)量的第一環(huán)節(jié)。

1 應(yīng)用范圍

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋以構(gòu)造受力性能好、變形小、伸縮縫少、行車平順舒適、養(yǎng)護(hù)工程量小、抗震能力強(qiáng)等而成為最富有竟?fàn)幜Φ闹饕獦蛐椭弧ｋS著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和不斷完善,尤其是懸臂、頂推等先進(jìn)施工方法的出現(xiàn),更使預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋活躍在整個(gè)橋梁工程領(lǐng)域,無論是城市跨線橋、高架道路橋、山區(qū)高架棧橋,還是跨越江河的大橋,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋都以它獨(dú)特的魅力成為優(yōu)選的方案。預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的適用跨徑范圍一般在150 m以內(nèi),如果與T型剛構(gòu)體系結(jié)合,則連續(xù)梁跨度可做到300 m以上。在鐵路、地鐵的橋梁上,35～40 m標(biāo)準(zhǔn)跨一般以簡支梁居多,連續(xù)梁一般用在重要的節(jié)點(diǎn)處,這是因?yàn)橄啾裙疯F路的活荷載比較大,彎矩有正負(fù)變號(hào)的區(qū)段占很大比例,預(yù)應(yīng)力筋節(jié)省有限,施工較簡支梁復(fù)雜,經(jīng)濟(jì)效益差,因而在平直段、非加寬段及非大跨越重要節(jié)點(diǎn)處較少采用連續(xù)梁[1-3]。

2 結(jié)構(gòu)與尺寸

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁以受力體系來分,有等截面、變截面連續(xù)梁橋、桁架連續(xù)梁橋,連續(xù)-剛構(gòu)梁橋及V形墩連續(xù)梁橋等。其中等截面及變截面是目前我國預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋采用最多的截面形式。等截面連續(xù)梁一般適應(yīng)以下情況:跨徑一般為50 m內(nèi),構(gòu)造簡單,施工快捷的連續(xù)梁。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的截面形式很多,一般應(yīng)根據(jù)橋梁的跨徑、寬度、梁高、支撐形式、總體布置和施工方法等方面綜合確定,合理地選擇主梁的截面形式對減輕橋梁自重、節(jié)約材料、簡化施工和改善截面的受力性能是十分重要的。目前預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋橫截面形式主要有板式、肋梁式和箱形截面,而箱形截面具有良好的抗彎和抗扭性能,是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的主要截面形式,也是本文論述的對象。

橋孔分跨:橋孔分跨往往要受到地質(zhì)水文條件、通航要求、地面跨越情況、力學(xué)要求、美學(xué)要求等的影響。若采用三跨或四跨不等的橋孔布置,一般邊跨長度可取為中跨的0.5～0.8倍,這樣可使中跨跨中不致產(chǎn)生異號(hào)彎矩,此外邊跨與中跨跨長之比還與施工方法有著密切的聯(lián)系,對于采用現(xiàn)場澆筑的橋梁,邊跨取為中跨長度的0.8倍是經(jīng)濟(jì)合理的?？缭胶拥赖臉蛄阂瞬贾脼槠鏀?shù)孔。

截面形式:等截面連續(xù)梁,超靜定結(jié)構(gòu)的連續(xù)梁在恒載和活載作用下,支點(diǎn)截面負(fù)彎矩一般比跨中截面正彎矩大,但跨徑不大時(shí)這個(gè)差值不是很大,可以考慮采用等截面形式,采取一定的構(gòu)造措施予以調(diào)節(jié),從而簡化了主梁的構(gòu)造使施工變得快捷。此外采用有支架施工,逐跨架設(shè)施工、移動(dòng)模架法和頂推法施工的連續(xù)梁橋較多采用等截面布置。

主梁高度:預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的主梁高度與跨徑之比通常在1/15～1/25之間,標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中,高跨比約在1/18～1/19,當(dāng)建筑高度不受限制時(shí),增大梁高是比較經(jīng)濟(jì)的方案,可以節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼筋用量,加大梁高只是腹板加高,所以增大的混凝土用量有限。

細(xì)部尺寸:（1）頂板與底板。箱形截面的頂板和底板是結(jié)構(gòu)承受正負(fù)彎矩的主要工作部位,其尺寸受到受力要求和構(gòu)造兩個(gè)方面的控制。箱梁頂板厚度應(yīng)滿足橫向彎矩的要求和布置縱向預(yù)應(yīng)力筋的要求。底板厚度應(yīng)滿足布置縱向預(yù)應(yīng)力筋的要求。（2）箱梁腹板厚度。腹板的功能是承受結(jié)構(gòu)的彎曲剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力所引起的主拉應(yīng)力。在預(yù)應(yīng)力梁中,因?yàn)閺澥鴮ν饧袅Φ牡窒饔?剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力的值比較小,腹板不必設(shè)得太大；同時(shí)腹板的最小厚度應(yīng)考慮力筋的布置和混凝土澆筑要求,其一般設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為:a.腹板內(nèi)無預(yù)應(yīng)力筋時(shí),采用20 cm以上；b.腹板內(nèi)有縱向預(yù)應(yīng)力筋時(shí),采用30 cm以上；c.既有縱向又有豎向預(yù)應(yīng)力筋時(shí),采用38 cm以上。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋,腹板厚度從跨中逐步向支點(diǎn)加寬,以承受支點(diǎn)處較大的剪力,一般采用30～60 cm,甚至可達(dá)1 m左右。

梗腋:在頂?shù)装搴透拱褰宇^處須設(shè)置梗腋。梗腋的形式一般為1∶2、1∶1、1∶3、1∶4等。梗腋的作用是:提高截面的抗扭剛度和抗彎剛度,減少扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和畸變應(yīng)力。此外梗腋使力線過渡比較平緩,減弱了應(yīng)力的集中程度。

懸臂:頂板兩側(cè)懸臂板的長度對活載彎矩?cái)?shù)值影響不大,但恒載及人群荷載彎矩隨懸臂長度近乎成平方關(guān)系增加,故懸臂一般不大于5 m,大于3 m時(shí)要布置橫向預(yù)應(yīng)力筋；同時(shí)箱梁懸臂翼緣板的長度確定還應(yīng)注意橋面板正、負(fù)彎矩的相互協(xié)調(diào),所以一般長度宜為1.5～2.5 m。在設(shè)計(jì)中采用長懸臂如蝶形箱梁時(shí)要考慮進(jìn)去瀝青攤鋪時(shí)的振動(dòng)荷載。

此外主梁應(yīng)盡量采用一次澆筑混凝土、兩端張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的施工方式（特別是對于腹板束由于比較長采用單端張拉其預(yù)應(yīng)力的損失會(huì)比較大,影響鋼絞線使用經(jīng)濟(jì)性）,主梁長度宜控制在120 m左右,當(dāng)確實(shí)需要設(shè)置長分聯(lián)時(shí),可以采用分段澆筑混凝土、使用聯(lián)結(jié)器分段張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的施工方案,設(shè)計(jì)時(shí)允許在同一截面全部預(yù)應(yīng)力鋼筋使用聯(lián)結(jié)器連接,但對主梁截面及配筋應(yīng)做加強(qiáng)處理。

對于匝道橋,為增大剛度、減小扭矩,有條件時(shí)盡可能采用墩梁固結(jié)或雙支座形式；此時(shí)對其計(jì)算時(shí)也應(yīng)上下部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。如果匝道橋采用獨(dú)柱支承,則該處橫梁宜設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；坡度較大時(shí),還應(yīng)注意橋梁向下坡位移的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3 計(jì)算要點(diǎn)

計(jì)算內(nèi)容:正常使用極限狀態(tài)；承載能力極限狀態(tài)；施工階段驗(yàn)算。對箱梁各截面進(jìn)行多種可能的荷載效應(yīng)組合的受彎、受剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算、應(yīng)力驗(yàn)算、變形驗(yàn)算。計(jì)算時(shí)要考慮預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的次彎矩的影響；采用混合配筋設(shè)置非預(yù)應(yīng)力筋,提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的延性和能量吸收,有效分散受拉區(qū)裂縫,改善結(jié)構(gòu)的受力性能,但縱梁計(jì)算中一般不考慮普通鋼筋參與受力。施工時(shí)的荷載條件中,預(yù)應(yīng)力荷載應(yīng)按扣除第一批預(yù)應(yīng)力損失后的有效應(yīng)力來確定；其他荷載應(yīng)根據(jù)施工階段可能的最不利荷載情況來定；而施工時(shí)的支撐條件應(yīng)考慮施工方案的具體情況來定,模板周轉(zhuǎn)情況影響施工階段結(jié)構(gòu)分析模型的支撐條件與荷載條件的選取。設(shè)計(jì)步驟:進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置,選取恰當(dāng)?shù)牧W(xué)模型；根據(jù)工程的具體情況,選擇合適的橋梁高跨比,初步選定構(gòu)件的截面尺寸,并進(jìn)行內(nèi)力與組合效應(yīng)的計(jì)算；根據(jù)桿件的彎矩分布圖形確定預(yù)應(yīng)力筋的索形；進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失和次應(yīng)力的計(jì)算,驗(yàn)算預(yù)應(yīng)力和撓度控制限值以及正常使用階段的結(jié)構(gòu)性能；按計(jì)算的各項(xiàng)控制結(jié)果,選擇需要變動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行修改,再重新計(jì)算。按計(jì)算對象來分主要有:縱梁計(jì)算、橫梁計(jì)算、橋面板計(jì)算。計(jì)算中準(zhǔn)確把握各種系數(shù)和各種概念,包括偏載系數(shù)、橫向分布系數(shù)、沖擊系數(shù)、有效分布寬度、單向板的荷載分布寬度等。

對曲線梁橋的計(jì)算要注意,其結(jié)構(gòu)靜力分析模型的建立應(yīng)滿足以下要求:（1）當(dāng)扭跨所對應(yīng)的圓心角φ≤5°時(shí),可作為以曲線長為跨徑的直線橋進(jìn)行分析；（2）當(dāng)5°＜φ≤30°時(shí),彎矩及剪力可按直線橋進(jìn)行分析,反力及扭矩需按空間程序進(jìn)行分析；并且應(yīng)考慮由于預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮、徐變及溫度作用所產(chǎn)生的效應(yīng)；（3）當(dāng)30°＜φ≤45°時(shí),所有截面內(nèi)力均應(yīng)按空間程序進(jìn)行分析；（4）φ＞45°,除按空間程序分析外,還應(yīng)考慮翹曲約束扭轉(zhuǎn)的影響；（5）當(dāng)采用具有相當(dāng)抗扭剛度的閉口截面（如箱型截面）曲線梁橋,其扭轉(zhuǎn)跨徑所對應(yīng)的（曲線梁段）圓心角小于12°時(shí),可以按直線橋進(jìn)行分析。對于第（5）種情況,要快捷高效計(jì)算一般可按橋梁博士軟件的空間單梁模型進(jìn)行分析,彎矩及剪力按直線梁計(jì)算,支座反力和扭矩按空間計(jì)算；并注意由于預(yù)應(yīng)力的二次矩影響,會(huì)加劇兩支座間的反力差；計(jì)算時(shí)盡可能加大兩支座間距離,并設(shè)置適當(dāng)?shù)钠闹?減小支座間的反力差。對曲線箱梁還應(yīng)注意:其跨度大于2.5倍截面核心寬度（不包括翼緣寬度）時(shí),上部結(jié)構(gòu)可按等效獨(dú)梁計(jì)算；跨度小于2.5倍截面核心寬度時(shí)應(yīng)采用空間梁格法分析。

對斜橋計(jì)算,斜橋的斜度（支承邊或支座連線與橋梁軸線法線之間的小于90°）小于或等于30°時(shí)可用斜跨徑按正橋計(jì)算,大于30°時(shí)應(yīng)按空間程序進(jìn)行分析。斜橋計(jì)算跨徑取斜長,計(jì)算橫截面尺寸取垂直斷面尺寸。

4 抗震設(shè)計(jì)

抗震設(shè)計(jì)主要是針對下部結(jié)構(gòu),這對保證地震下連續(xù)梁的使用功能非常重要,所以要在此一并敘述?？拐痼w系有延性抗震體系和減隔震體系。延性抗震體系是依靠墩柱上形成的塑性鉸耗能,支座連接裝置需保持彈性。減隔震體系是依靠上下部連接處的減隔震裝置耗能,墩身則需保持彈性。一般情況下,對于墩高較大、墩柱長細(xì)比較大的橋梁,墩身截面地震反應(yīng)一般相比支座連接處更為不利,并且墩柱也更易形成塑性鉸,一般宜采用延性抗震體系。而對于墩高較矮、墩柱長細(xì)比較小的橋梁,支座連接處的地震反應(yīng)一般相比墩身更為不利,并且墩柱也較難以形成塑性鉸,也就是說此時(shí)橫向抗剪切鋼筋的屈服要早于墩身豎向主筋的受拉屈服,一般宜采用減隔震體系。

當(dāng)橋墩為實(shí)體墩或剛性墩、墩高相差較大,而橋址區(qū)的預(yù)期地面運(yùn)動(dòng)主要能量集中在高頻段時(shí),優(yōu)先考慮減隔震體系。相反地,當(dāng)?shù)鼗翆硬环€(wěn)定,或原有結(jié)構(gòu)的固有周期比較長,或結(jié)構(gòu)位于軟弱場地、延長結(jié)構(gòu)周期可能引起共振,以及支座中出現(xiàn)負(fù)反力時(shí),則不宜采用減隔震體系。

聯(lián)與聯(lián)之間的固定墩高度不要相差太多,這樣會(huì)使各聯(lián)的整體剛度和動(dòng)力特性相差較大,對抗震不利。約束箍筋配置不足、縱向鋼筋的搭接或焊接不牢均會(huì)引起墩柱的延性不足或剪切破壞,所以要重視箍筋的配置數(shù)量和縱筋的連接。保證墩柱和下部基礎(chǔ)的整體作用也很重要。而防落梁等構(gòu)造措施則可避免移位震害。

5 畫圖應(yīng)用

當(dāng)前的出圖軟件中,應(yīng)用的比較多繪圖效果比較好的軟件,主要有橋梁設(shè)計(jì)師、方案設(shè)計(jì)師等。橋梁設(shè)計(jì)師數(shù)據(jù)輸入比較直觀,上手比較快,繪制單體結(jié)構(gòu)很有優(yōu)勢。界面輸入?yún)?shù)少、輸入方式方便、圖形輔助顯示功能強(qiáng)大、用戶界面友好,有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)檢查功能和先進(jìn)的糾錯(cuò)功能。它能進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)中的大部分常規(guī)構(gòu)建,如連續(xù)箱梁、簡支及簡支變連續(xù)小箱梁、空心板、T梁等上部結(jié)構(gòu)構(gòu)建,鋼筋（預(yù)應(yīng)力）混凝土蓋梁、柱式墩、肋板輕型橋臺(tái)、U型重力橋臺(tái)等下部構(gòu)建,以及承臺(tái)樁基礎(chǔ)、擴(kuò)大基礎(chǔ)等的施工圖設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)師則是一個(gè)綜合性的軟件,界面沒有橋梁設(shè)計(jì)師來的直觀,但功能非常強(qiáng)大,它需要輸入大量數(shù)據(jù),輸入后可以生成各種圖紙包括橋型布置圖等,對繪制變寬變高箱梁,分叉箱梁、彎坡斜橋非常高效,實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)；上下部關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì),上部的結(jié)構(gòu)變化,下部結(jié)構(gòu)智能適應(yīng)調(diào)整。作為設(shè)計(jì)人員要利用好繪圖軟件,繪圖軟件是智慧的結(jié)晶,可提高工作效率,大量縮短繪圖時(shí)間,以便把更多的精力放在設(shè)計(jì)上。

6 其他注意事項(xiàng)

（1）在作抗剪驗(yàn)算時(shí),不僅僅要控制主拉應(yīng)力的大小,而且要對控制斷面作抗剪截面尺寸驗(yàn)算和抗剪承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算,才能確保結(jié)構(gòu)的安全。

（2）在作主拉應(yīng)力驗(yàn)算抗剪時(shí),應(yīng)充分考慮偏載引起的扭轉(zhuǎn)和畸變剪應(yīng)力,所以可考慮引入抗剪橫向分布增大系數(shù)的概念；對獨(dú)柱墩、特別是寬跨比比較大的結(jié)構(gòu),由偏載引起的扭轉(zhuǎn)、畸變剪應(yīng)力占相當(dāng)高的比例,此時(shí)抗剪橫向分布增大系數(shù)取值可大于縱梁的橫向分布系數(shù),以避免箱梁支點(diǎn)附近出現(xiàn)斜裂縫。

（3）在連續(xù)箱梁底板設(shè)置齒塊時(shí),最好使它布置在有足夠壓應(yīng)力儲(chǔ)備的位置,避免設(shè)置于箱梁斷面接縫處,同時(shí)需根據(jù)具體情況,布置足夠的縱向分布鋼筋通過錨固斷面,以防止局部應(yīng)力使底板、腹板開裂。

（4）在變截面連續(xù)梁中布置底板鋼束時(shí),應(yīng)盡可能靠近腹板布置,并根據(jù)受力要求（應(yīng)計(jì)入徑向力）配置足夠的箱梁底板橫向鋼筋及防崩鋼筋。豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋盡量布置在腹板中心線上,有時(shí)為了便于縱向腹板鋼束的通行,可將豎向鋼筋對稱于腹板中心線布置。

（5）大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋,在作用效用組合中考慮日照溫度影響時(shí),應(yīng)注意對主跨跨中截面進(jìn)行持久狀況正常使用極限狀態(tài)的正截面抗裂性驗(yàn)算,也應(yīng)注意對中支點(diǎn)附近截面上靠近重心軸處的斜截面抗裂性的驗(yàn)算；而在持久狀況的法向應(yīng)力計(jì)算中,一般可不進(jìn)行中間支點(diǎn)截面的計(jì)算,只需計(jì)算跨中截面。

（6）設(shè)計(jì)中除了根據(jù)計(jì)算結(jié)果配置鋼筋外,還應(yīng)重視構(gòu)造要求包括經(jīng)驗(yàn)性的常規(guī)做法。例如,直線連續(xù)箱梁跨徑小于30 m的橋孔可不設(shè)跨間橫梁,跨徑在30～40 m的宜設(shè)一道,40 m以上宜設(shè)三道；曲線連續(xù)箱梁根據(jù)曲線半徑、跨徑大小確定跨間橫梁個(gè)數(shù)。主梁、橫梁鋼筋關(guān)系:橫梁鋼筋設(shè)在外層,主梁鋼筋設(shè)在內(nèi)層；主梁與橫梁交叉處,不設(shè)主梁箍筋,橫梁箍筋沿橫梁全長布置。吊筋宜同時(shí)勾住縱筋和箍筋布設(shè)......

7 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁作為一種常規(guī)和成熟的橋型,在交通建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用；作為一名工程設(shè)計(jì)者,要熟悉和掌握預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn),并在工作中不斷總結(jié)和提高,以設(shè)計(jì)出安全合理優(yōu)良精美的工程作品,更好的服務(wù)于我國的建設(shè)事業(yè)。

[1]JTG D60-2015,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2010.

U448.21+3

B

1009-7716（2017）07-0064-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.019

2017-04-05

陳峰（1977-）,男,上海人,高級工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。