探析大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)

鄭沖

（中億通達(dá)設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司重慶分公司，重慶 400000）

0 引言

與普通的混凝土橋梁相比，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的優(yōu)勢較為明顯，比如橋梁的整體耐久性更高，對鋼材的消耗量少，采用拼裝式施工方法，提高施工效率與質(zhì)量。在開展設(shè)計(jì)工作期間，應(yīng)加強(qiáng)對設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)方法的選取，并考慮到環(huán)境因素、材料特性對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，不斷提高大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)水平，確保橋梁工程安全使用。

1 設(shè)計(jì)的影響因素與方法分析

1.1 影響因素

在開展大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁工程設(shè)計(jì)工作時(shí)，首先要考慮整體結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及施工現(xiàn)場的環(huán)境條件對橋梁設(shè)計(jì)的影響。其次，要考慮橋梁細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，比如縮縫的設(shè)計(jì)、支座設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工流程設(shè)計(jì)等等，以便于后續(xù)施工工作的有序開展。另外，結(jié)合大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的實(shí)際特點(diǎn)，選用合理的變截面結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)把控跨徑布置、截面尺寸等主要參數(shù)，見表1。

表1 變截形式與尺寸參數(shù)

1.2 設(shè)計(jì)方法與步驟

具體設(shè)計(jì)過程中，常用到的設(shè)計(jì)方法為有限元模擬計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合的方式。①對于經(jīng)驗(yàn)法而言，主要是在橋梁跨徑已經(jīng)確定的情況下，通過對以往橋梁工程的設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析，進(jìn)一步擬定橋梁結(jié)構(gòu)具體尺寸，并設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力配束；②結(jié)合有限元軟件建立橋梁模型，開展模擬計(jì)算，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的承載力是否能夠滿足規(guī)范要求。就當(dāng)前大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)工作而言，主要按照如下設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行：首先，結(jié)合施工現(xiàn)場條件以及橋位場地情況，合理確定橋梁工程的平面線形以及跨徑布置等基本參數(shù)；其次，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步擬定各個(gè)結(jié)構(gòu)面的尺寸，并明確預(yù)應(yīng)力配束情況；此外，借助有限元軟件，建立相應(yīng)的模擬與計(jì)算模型，對橋梁結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行計(jì)算，并與規(guī)范要求比對，對橋梁結(jié)構(gòu)、尺寸、預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行調(diào)整。上述工作結(jié)束后，重新開展建模、計(jì)算、驗(yàn)證，直至橋梁的承載力能滿足規(guī)范要求。最后，結(jié)合計(jì)算結(jié)果對橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力配束以及尺寸情況進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整，使橋梁結(jié)構(gòu)的受力更科學(xué)合理。

2 大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

2.1 合理開展模擬計(jì)算與參數(shù)預(yù)設(shè)

通過合理預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)參數(shù)，嚴(yán)格進(jìn)行模擬計(jì)算，能夠有效模擬橋梁實(shí)際受力狀況，進(jìn)而提高橋梁設(shè)計(jì)工作的合理性與安全性。具體設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)注重以下幾點(diǎn)要求：①對于結(jié)構(gòu)尺寸、混凝土類型及其徐變特性、普通鋼筋類型及其性能要結(jié)合橋梁工程實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇預(yù)應(yīng)力鋼筋的材料、線形、張拉方式等參數(shù)，同時(shí)還要結(jié)合施工技術(shù)與流程，對橋梁工程施工的全過程作出模擬；②利用有限元軟件，對橋梁施工進(jìn)度進(jìn)行模擬。常用的進(jìn)度控制方法有兩種：正裝以及倒裝分析法?？紤]到橋梁的跨度相對較大，模擬計(jì)算期間應(yīng)采用正裝分析法進(jìn)行施工進(jìn)度預(yù)測。需要注意的是，為提高預(yù)測結(jié)果的精確性，要確保準(zhǔn)確設(shè)定橋梁結(jié)構(gòu)尺寸以及材料特性等參數(shù)。同時(shí)，要精確計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失，合理布置預(yù)應(yīng)力鋼束線形，以確定懸臂施工期間立模標(biāo)高。這一過程中，要考慮預(yù)拱度、節(jié)段尺寸以及所用混凝土的收縮特性等眾多因素；③結(jié)合正裝分析得到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)應(yīng)力數(shù)值，對橋梁預(yù)應(yīng)力進(jìn)行檢測。

2.2 梁錨固橫梁設(shè)計(jì)方法

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁錨固橫梁配筋設(shè)計(jì)方法，國內(nèi)外均采用有限元實(shí)體單元分析與拉壓桿法相結(jié)合算法。在對錨固橫梁配筋設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析時(shí)，可以直接采用ANSYS應(yīng)力分析。體外預(yù)應(yīng)力錨固橫梁的形狀、位置變化等都不相同，其配筋設(shè)計(jì)可以采用兩種形式：①橫梁內(nèi)側(cè)配筋設(shè)計(jì)；②局部承壓設(shè)計(jì)。在相應(yīng)的規(guī)范中對局部承壓設(shè)計(jì)有明確的規(guī)定，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接使用規(guī)范方法。在體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁錨固橫梁配筋設(shè)計(jì)中，對橫梁內(nèi)側(cè)受拉鋼筋的設(shè)計(jì)方法主要采用拉壓桿模型法。首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)的形狀、支撐以及荷載等方面實(shí)現(xiàn)整體確定。為了方便分析，我們通常將立體的空間三維結(jié)構(gòu)劃分為不同的平面進(jìn)行獨(dú)立分析。對結(jié)構(gòu)的整體的靜力進(jìn)行分析，由此確定結(jié)構(gòu)支撐反力。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，劃分依據(jù)為圣維南原理，主要分為B區(qū)和D區(qū)。B區(qū)能夠建立起標(biāo)準(zhǔn)桁架模型，可以直接采用拉壓桿模型法。D區(qū)則需要結(jié)合自身實(shí)際情況分別建立拉壓桿模型對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 加強(qiáng)防震設(shè)計(jì)

作為大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)的重要組成內(nèi)容，加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不僅有助于增強(qiáng)橋梁工程的抗震效果，同時(shí)還能防止橋梁結(jié)構(gòu)由于共振而產(chǎn)生的破壞。具體設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下問題：①要結(jié)合施工區(qū)域的抗震設(shè)防等級、地質(zhì)環(huán)境狀況等因素，合理選取橋形、孔性、橋位等參數(shù)。尤其是在地震多發(fā)地帶，應(yīng)選取性能優(yōu)異的橋梁結(jié)構(gòu)；②應(yīng)當(dāng)優(yōu)化橋梁工程的整體構(gòu)造布局，提高橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，改善橋梁結(jié)構(gòu)的剛度條件，盡可能降低墩柱結(jié)構(gòu)的延性；③在開展上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，盡可能采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，為車輛提供舒適的駕駛環(huán)境。如果采用簡支結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對伸縮縫數(shù)量的控制，減少伸縮縫的數(shù)量。同時(shí)，還要對橋梁結(jié)構(gòu)底部的鋼板進(jìn)行牢固的焊接，確保支座具有足夠的強(qiáng)度。

2.4 細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

跨中梁的高度應(yīng)該應(yīng)用1/40～1/50的主跨跨徑，小的跨徑取大值；根部梁的高度應(yīng)該應(yīng)用主跨徑的1/16～1/18，變、中跨應(yīng)該在0.54～0.58之間比較適宜。底板的最小的厚度為320mm，頂板的最小的厚度為280mm，腹板的最小的厚度為400mm，懸臂端的最小的厚度為200mm。主梁的箱寬最好不要大于橋面全寬的1/2，而且箱梁的長邊和短邊的比例不要大于4，否則就要設(shè)計(jì)成為多箱室。箱梁的懸臂的長度不應(yīng)該大于4m，否則就應(yīng)該考慮活載在懸臂端部引起的鍋底效應(yīng)。箱梁的底板的下緣順橋方向一定要在一條平順的曲線上，變跨的現(xiàn)澆段和中跨的合攏段與懸臂端的最后一個(gè)梁端間不應(yīng)該出現(xiàn)相對的轉(zhuǎn)角。對于主跨跨徑小于150mm的可以應(yīng)用二次拋物線的設(shè)置，大于150mm的可以應(yīng)用1.5～1.8次的拋物線的設(shè)置。

2.5 鋼筋混凝土設(shè)計(jì)

一方面，在進(jìn)行墩身結(jié)構(gòu)的鋼筋設(shè)計(jì)時(shí)，主鋼筋宜使用墩粗直螺紋連接法（見圖1）進(jìn)行連接，這樣一來不僅能加快施工速度，同時(shí)還能減少高空作業(yè)量，降低施工強(qiáng)度，提高施工過程的安全狀況。對于主筋垂直度的控制，宜使用定位架。另一方面，在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要合理選取低水化熱、高強(qiáng)度的混凝土材料，降低橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫、變形等問題。此外，在進(jìn)行索塔工程施工設(shè)計(jì)期間，由于選取的索塔類型不同，使施工技術(shù)的設(shè)計(jì)存在較大的差異。如果所選用的索塔為混凝土形式，那么施工設(shè)計(jì)期間應(yīng)采用逐段施工的方式，并合理設(shè)置支撐點(diǎn)，確保塔柱結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變形問題，提高塔柱的整體性、安全性。對于索塔橫梁結(jié)構(gòu)而言，在進(jìn)行設(shè)計(jì)施工工作時(shí)，也應(yīng)做好相應(yīng)的支撐，確保索塔的穩(wěn)定效果。如果選用鋼形式索塔，那么應(yīng)加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這一過程中，應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的受力情況，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果在工廠內(nèi)完成鋼索塔的預(yù)制，之后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場完成拼裝。另外，對于橋梁基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)與施工，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對承臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，避免水流對承臺(tái)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。最后，橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，要結(jié)合大跨徑橋梁的預(yù)應(yīng)力狀況，適當(dāng)添加鋼管支架以起到輔助受力作用。

圖1 墩粗直螺紋連接法

3 結(jié)語

本文對大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的影響因素、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等內(nèi)容做出研究。隨著橋梁跨徑的不斷增大，設(shè)計(jì)、施工工作的難度逐步增加。在開展設(shè)計(jì)工作期間，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)流程與方法做好參數(shù)設(shè)定，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高抗震設(shè)計(jì)水平。需要注意的是，設(shè)計(jì)期間要加強(qiáng)對溫度的控制，積極優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，提高橋梁設(shè)計(jì)的安全性與耐久性。