預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

沙 嵩

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁以其自身具備的諸多特點(diǎn)，在橋梁工程項(xiàng)目建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。為確保此類橋梁的結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性，并進(jìn)一步延長使用年限，應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)加以合理設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)各方面因素加以充分考慮，并選擇適宜的計(jì)算方法，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 工程概況

某公路橋梁工程項(xiàng)目為互通立體式交叉橋，一期工程主要是三座匝道橋建設(shè)，其中A匝道橋的上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部為柱式墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。工程所在地為大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季風(fēng)大、夏季多雨，最大風(fēng)速為20m/s。由于匝道橋的質(zhì)量與設(shè)計(jì)密切相關(guān)，故此必須保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容

在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的設(shè)計(jì)過程中，主要的計(jì)算內(nèi)容包括以下方面：結(jié)構(gòu)內(nèi)力和次內(nèi)力、內(nèi)力組合、預(yù)應(yīng)力鋼束的計(jì)算、強(qiáng)度及應(yīng)力等。計(jì)算完畢后，要對(duì)以下方面進(jìn)行驗(yàn)算：承載力極限狀態(tài)正截面以及斜截面的強(qiáng)度、投用后混凝土和鋼束的應(yīng)力等。

2.2 計(jì)算方法與過程

2.2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力由兩個(gè)部分組成，分別為恒載內(nèi)力和活載內(nèi)力，具體的計(jì)算方法如下：

（1）在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)中，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)施工方法的選擇具有指導(dǎo)作用，如滿堂架和懸臂澆筑兩種施工方案的恒載內(nèi)力不同。當(dāng)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果存在偏差時(shí)，會(huì)影響到后續(xù)施工方法的選擇，容易引起工程質(zhì)量問題。所以要保證恒載內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果正確無誤。可以將內(nèi)力與施工方法緊密聯(lián)系起來，確保得出的內(nèi)力結(jié)果能夠?yàn)槭┕ぬ峁┲笇?dǎo)。與懸臂澆筑施工法相比，滿堂架施工法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加明顯，在本次內(nèi)力計(jì)算中，以滿堂架施工法為依托，建造連續(xù)箱梁時(shí)，不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，可一次性完成。按照連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征對(duì)恒載內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。

（2）在計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的活載內(nèi)力時(shí)，需要明確該內(nèi)力的形成原因，它是橋梁投入使用后，在可變荷載的作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。橋梁投用必須在建成之后，即整個(gè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成的連續(xù)箱梁，此時(shí)計(jì)算活載內(nèi)力無需考慮施工方法，計(jì)算圖式更加簡單。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁歸屬于超靜定結(jié)構(gòu)的范疇，將影響線作為活載內(nèi)力計(jì)算的基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算出影響線，具體的計(jì)算方法如下：對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)中的主梁或是主肋的荷載橫向分布系數(shù)加以計(jì)算，以最不利的分布系數(shù)為依據(jù)，對(duì)內(nèi)力影響線進(jìn)行確定；用荷載與最不利橫向內(nèi)力分布系數(shù)相乘，然后在箱梁縱向最不利的位置處對(duì)得到的荷載進(jìn)行加載，得到的結(jié)果即活載內(nèi)力，包含一個(gè)正值和一個(gè)負(fù)值。

2.2.2 次內(nèi)力計(jì)算

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁作為超靜定結(jié)構(gòu)，在其上施加預(yù)應(yīng)力的過程中，會(huì)引起梁體變形，而支座會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生約束，支座上便可能產(chǎn)生出次反力，受到該反力的作用，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)中便會(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力。通過結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法可以計(jì)算出連續(xù)箱梁的次內(nèi)力。對(duì)連續(xù)箱梁的次內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮預(yù)加力所引起的次內(nèi)力。

（2）計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁徐變收縮產(chǎn)生的次內(nèi)力時(shí)，要先明確徐變收縮的特點(diǎn)及其對(duì)箱梁的影響。徐變收縮是混凝土所產(chǎn)生的現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力處于不變狀態(tài)時(shí)，在荷載作用下，應(yīng)變持續(xù)增長會(huì)形成徐變；混凝土體積縮小即為收縮，徐變收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土變形，基本上都是出現(xiàn)在橋梁建成投用階段，并且會(huì)長期持續(xù)發(fā)生，容易導(dǎo)致內(nèi)力重新分布，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的穩(wěn)定性和安全性造成不利影響，具體體現(xiàn)如下：連續(xù)箱梁中關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)配件，如預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土等，隨著時(shí)間推移產(chǎn)生徐變收縮，在配筋的約束下，內(nèi)力可能會(huì)出現(xiàn)重新分布的狀況；預(yù)制箱梁或是現(xiàn)澆箱梁在混凝土徐變收縮作用下，會(huì)引起內(nèi)力重新分布。

（3）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁以混凝土作為主要材料，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生一定的影響，所以需要計(jì)算溫度變化引起的次內(nèi)力。計(jì)算前，有必要明確溫度對(duì)連續(xù)箱梁的影響，具體如下：橋梁采用的材料為鋼筋和混凝土，由此使橋梁具備熱脹冷縮的屬性，暴露在大氣環(huán)境中的橋梁不可避免會(huì)受到溫度變化的影響，即溫差對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響。年溫差會(huì)引起連續(xù)箱梁內(nèi)溫度次應(yīng)力，而局部溫差的影響體現(xiàn)在水化熱上?，F(xiàn)行公路橋梁規(guī)范指出，橋面板在日照作用下產(chǎn)生的溫度變化與腹板兩側(cè)的溫差并不是很大，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，不需要考慮該溫差的影響。

2.3 具體算例分析

2.3.1 連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)資料

A匝道橋共有兩聯(lián)，跨徑為2×（3×26）m，荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，橋面行車道的寬度為7.0 m，橋梁兩側(cè)護(hù)欄底座的寬度均為50cm，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C50，為高強(qiáng)度混凝土。

2.3.2 箱梁橫斷面布設(shè)

本工程中，A匝道橋的橫斷面布設(shè)情況如圖1所示。

圖1 A匝道橋橫斷面布設(shè)情況示意圖

A匝道橋跨中位置處的頂板、底板、腹板的厚度分別為25cm、22cm和40cm；支點(diǎn)位置處的頂板、底板及腹板厚度分別為35cm、32cm和60cm。鋪裝層位于主梁頂部，厚度為8.0 cm。

2.3.3 主梁荷載分布系數(shù)的計(jì)算

（1）主梁的荷載分布系數(shù)的計(jì)算過程中，需要下劃分梁肋。本工程中預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的橫斷面按照單箱單室進(jìn)行設(shè)計(jì)，劃分為兩片主梁，按中心線對(duì)各片的頂?shù)装暹M(jìn)行劃分。

（2）為使計(jì)算過程得以簡化，采用如下計(jì)算方法：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)支點(diǎn)位置處的橫向荷載分布系數(shù)可通過杠桿法計(jì)算，計(jì)算過程中，不需要考慮箱梁的抗扭影響。利用修正剛性橫梁法計(jì)算箱梁跨中橫向荷載分布系數(shù)，計(jì)算時(shí)，要充分考慮抗扭的影響?？缰袡M向荷載分布系數(shù)計(jì)算方法在連續(xù)箱梁中應(yīng)用時(shí)，要轉(zhuǎn)換剛度，具體的換算系數(shù)如下：邊跨的抗彎剛度換算系數(shù)為1.429，中跨為1.818。主梁支點(diǎn)和跨中界面的抗彎慣性距如表1所示。

表1 主梁支點(diǎn)與跨中截面抗彎慣性矩

（3）在支點(diǎn)位置處對(duì)兩片梁進(jìn)行分割之后，梁間距為3.0 m，對(duì)主梁荷載橫向分布的影響線及車列布置情況如圖2所示。

圖2 荷載橫向分布影響及車列布置示意圖

依據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，帶入具體數(shù)值，可計(jì)算出橫向分布系數(shù)為1.026 ；單片梁汽車荷載橫向分布系數(shù)為1.033 。據(jù)此可計(jì)算出邊跨跨中和中跨跨中的荷載橫向分布系數(shù)，分別為2.052 和2.065 。

2.4 有限元模擬

利用有限元模擬的方法，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析，按照實(shí)際布設(shè)情況，對(duì)橋面系進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，共分?7個(gè)單元和88個(gè)節(jié)點(diǎn)。一期恒載的計(jì)算結(jié)果為114.933 kN/m2，二期恒載的計(jì)算結(jié)果為23.88 kN/m2。本工程中，活載內(nèi)力等級(jí)按照公路Ⅰ級(jí)進(jìn)行計(jì)算，采用的是荷載橫向分布系數(shù)，依據(jù)現(xiàn)行JTG D60規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，以車輛荷載對(duì)連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。構(gòu)成車輛荷載的均布和集中荷載分別為10.5 kN/m2和264kN。在連續(xù)箱梁上，可按照集中荷載移動(dòng)時(shí)的情況，繪制出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的影響線，據(jù)此對(duì)最不利位置處產(chǎn)生的內(nèi)力加以計(jì)算。通過正截面強(qiáng)度驗(yàn)算后，得出如下結(jié)果：邊跨跨中的承載力設(shè)計(jì)值富余量最小，與連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求相符；法相壓應(yīng)力為9.7 MPa，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求；對(duì)該橋梁投入使用后的混凝土應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如下：極限壓應(yīng)力為16.2 MPa，在標(biāo)準(zhǔn)組合條件下的最大法向壓應(yīng)力為9.7 MPa，可以滿足要求；對(duì)該橋梁使用階段的鋼束進(jìn)行驗(yàn)算，在鋼束作用下產(chǎn)生的梁體內(nèi)力如圖3所示，具體的計(jì)算結(jié)果如下：極限拉應(yīng)力為1209MPa，鋼束在標(biāo)準(zhǔn)組合條件下的最大拉應(yīng)力為1181MPa，小于極限拉應(yīng)力，滿足要求。

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼束作用下的梁體內(nèi)力分布示意圖

3 結(jié)束語

綜上所述，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極為復(fù)雜的工作，對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)水平要求較高。為達(dá)到預(yù)期中的效果，要結(jié)合工程實(shí)際，選擇適宜的計(jì)算方法，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過有限元模擬，對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行驗(yàn)證，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支撐。未來一段時(shí)期，要加大對(duì)連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究力度，對(duì)設(shè)計(jì)和計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，使其逐步完善，更好地為橋梁設(shè)計(jì)服務(wù)。