簡支梁橋設(shè)計要點分析

繆國平

（江西贛北公路勘察設(shè)計院，江西 九江 332000）

0 引言

對于簡支橋梁而言，它屬于一種靜定結(jié)構(gòu)，簡支橋梁的受力模式是通過相鄰橋跨實現(xiàn)單獨受力的，同時此類橋梁支座變位橋梁產(chǎn)生的受力作用比較小，加上簡支橋梁能在各種地質(zhì)區(qū)域適用，故而在橋梁工程建設(shè)領(lǐng)域中得到應用。但是在設(shè)計的過程中由于簡支橋梁結(jié)構(gòu)對于設(shè)計參數(shù)要求非常高，故而需要明確簡支橋梁設(shè)計要點，從而給橋梁項目建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 簡支橋梁主要結(jié)構(gòu)

1.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)

簡支梁的上部結(jié)構(gòu)一般是橋跨結(jié)構(gòu)，其目的是跨越山川、河流，保持車輛正常通行，同時承受上部車輛作用荷載，并將荷載傳輸?shù)綐蛄合虏拷Y(jié)構(gòu)上。因此，提高簡支梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，是保障交通正常通行的關(guān)鍵性措施，也是推動交通事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

1.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)

橋梁下部結(jié)構(gòu)是指基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，比如橋墩、橋臺等。這些部位可以有效地支撐上部結(jié)構(gòu)，還能將橋跨結(jié)構(gòu)受到的荷載傳輸?shù)狡渌Y(jié)構(gòu)中。橋臺結(jié)構(gòu)安裝在橋梁兩端，除了能夠支撐橋跨位置，還可以穩(wěn)定連接道路和橋梁。橋墩結(jié)構(gòu)通常安裝在橋臺中間以及橋跨的下部，要結(jié)合現(xiàn)場情況確定最佳的橋墩數(shù)量，做出合理規(guī)劃設(shè)計。

如果現(xiàn)場條件允許，或者設(shè)計方案有要求，可以不設(shè)置橋墩。在橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，橋梁墩臺是目前非常重要的下部連接結(jié)構(gòu)，也是簡支梁橋的關(guān)鍵性承載結(jié)構(gòu)，其施工工藝復雜、難度高，并且該結(jié)構(gòu)對于整個橋梁的安全性有直接的影響。

1.3 橋梁支座結(jié)構(gòu)

橋梁支座是必不可少的組成結(jié)構(gòu)，將其布置在橋梁墩臺和橋跨之間，將橋跨和橋梁墩臺連接起來，還應滿足橋跨的位移和轉(zhuǎn)動的要求。除這些結(jié)構(gòu)外，簡支梁橋還有伸縮縫、橋頭搭板、導流結(jié)構(gòu)等，這些都是保障簡支梁橋穩(wěn)定性、安全性的關(guān)鍵，是提升橋梁質(zhì)量的核心結(jié)構(gòu)部件。

2 簡支橋梁設(shè)計的基本要求

2.1 橋梁使用方面

對于橋梁工程來說，其承載性能關(guān)系到安全性和穩(wěn)定性，對提高交通通行安全性有重要的意義。在橋梁使用的過程中，必須滿足車輛、行人的通行需要，并根據(jù)現(xiàn)場交通條件確定最佳橋面寬度數(shù)據(jù)信息，還要達到安全、排水效果要求。

2.2 橋梁設(shè)計方面

設(shè)計人員需要結(jié)合實際需要確定設(shè)計理念和方法，從而保證簡支梁橋的安全。同時，還應確定最佳的材料、設(shè)備及工藝，滿足橋梁使用標準、現(xiàn)場施工可以順利進行。在設(shè)計之前，要明確具體的設(shè)計要求，加強施工進度管理和控制，達到規(guī)定標準要求，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益與社會效益。

2.3 經(jīng)濟方面

在簡支梁橋的設(shè)計環(huán)節(jié)，經(jīng)濟方面是不得不考慮的因素。第一，在設(shè)計環(huán)節(jié)，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，分析各方面因素，明確經(jīng)濟性指標，通過優(yōu)化設(shè)計方案等措施，將項目建設(shè)的成本控制在合理范圍內(nèi)，防止發(fā)生超預算的問題。第二，對橋梁施工作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境展開全面調(diào)查，如交通環(huán)境、自然環(huán)境等要素。分析現(xiàn)場環(huán)境，結(jié)合實際情況制定出合理的環(huán)境保護措施和方案，從而降低噪聲污染的影響，實現(xiàn)成本降低。施工單位應制定完善的環(huán)境監(jiān)測方案和體系，落實各項環(huán)保處理措施，并且有針對性地采取處理措施，減少橋梁施工環(huán)節(jié)對交通、自然環(huán)境造成的負面影響。

加強經(jīng)濟方面的分析和控制，能提高項目經(jīng)濟效益，但必須在確保質(zhì)量、安全的前提下進行，才能實現(xiàn)綜合效益的提升。

2.4 美觀方面

在現(xiàn)代社會高速發(fā)展的大背景下，人們生活水平日益提高，經(jīng)濟發(fā)展速度加快，對美好的事物有強烈的渴望。在橋梁設(shè)計中，簡支梁橋梁達到美觀性要求，并不是指設(shè)計人員要選擇夸張、奢華的裝飾形式，簡單、淳樸的設(shè)計更能創(chuàng)造獨特的美學感受。在橋梁工程中，美觀性就是讓橋梁和周邊環(huán)境有效融合，人們能夠感受到韻律性、和諧感，同時還要實現(xiàn)材料、色彩的合理搭配使用，使人產(chǎn)生清爽、舒適的感覺。需要注意的是，追求橋梁的美觀性是在保證功能、質(zhì)量、安全為前提下進行的。

3 工程概況

該橋梁項目是當?shù)氐闹匾缃こ?，采取空心墩設(shè)計形式，平均墩高超過50m，面臨著大風等惡劣天氣的影響。經(jīng)過綜合分析，該橋梁不適宜橋下作業(yè)施工，不能安裝支架輔助，且墩高較高時，受架設(shè)設(shè)備不便及結(jié)構(gòu)跨度等方面干擾，使用32m 的簡支梁經(jīng)濟性較差。經(jīng)過設(shè)計人員綜合分析，確定使用48m 節(jié)段預制膠拼裝簡支箱梁。梁體結(jié)構(gòu)應用單箱、單室等高度預應力混凝土簡支箱梁，施工材料為C60 混凝土。按照設(shè)計方案的要求，頂寬12.2m，底寬6.2m，梁高4.2m。 跨中截面頂部厚度32cm，底板結(jié)構(gòu)厚度35cm，腹板結(jié)構(gòu)厚度50cm。根據(jù)需要，計算分析各項參數(shù)，確定底板、腹板厚度，適當增加厚度，并且在支點周邊布置預應力結(jié)構(gòu)，保證達到正常使用的標準。

4 設(shè)計分析

4.1 預制梁段劃分

按照設(shè)計人員計算結(jié)論，確定簡支箱梁跨度尺寸為46.9m。根據(jù)支座重量、預應力張拉千斤頂使用空間、造橋機構(gòu)造尺寸等因素，梁體長度確定為49.1m。預制箱梁結(jié)構(gòu)部分，梁段重量不超過2000kN，還要確保每跨箱梁支座為奇數(shù)塊，防止存在跨中設(shè)置接縫的情況，并對稱布置，所以48m 簡支梁預制段按照4.8m、4.3m、3.4m 三種規(guī)格設(shè)計，總計11 個階段，10 個接縫。

4.2 預應力體系及鋼束布置

在箱梁設(shè)計中，按照要求布置縱向預應力結(jié)構(gòu)。箱梁的腹板、底板結(jié)構(gòu)在施工中，選擇使用直徑規(guī)格為7Ф～15Ф 大小鋼絞線，抗壓強度為1860MPa。

4.3 箱梁結(jié)構(gòu)靜力分析計算

4.3.1 計算理論

簡支箱梁的設(shè)計應用MIDAS/Civil 軟件模擬分析，按照縱向全預應力設(shè)計分析?，F(xiàn)場施工中，應按照分段吊梁、永久預應力張拉、二期恒載、10年收縮徐變4 個階段進行。此次有限元模型如圖1 所示。

圖1 簡支箱梁有限元模型

4.3.2 荷載組合

按照國家標準要求，選擇兩種荷載組合方式，即主力和主力+附加力兩種工況，開展結(jié)構(gòu)性能驗算和分析，得出數(shù)據(jù)分析結(jié)論，為后續(xù)工作提供指導性作用。

4.3.3 檢算結(jié)果

主力和主力+附加力兩種工況下，MIDAS/Civil有限元模型分析結(jié)果如表1 所示。

表1 荷載工況應力總匯表（kN/m）

應力種類荷載組合主力主力+附加力上緣正應力最大12.39 16.0最小4.1 8.3下緣正應力最大12.2 12.6最小4.4 0.9剪應力最大2.5 2.5

5 永久預應力張拉及松吊掛匹配技術(shù)研究

5.1 研究概況

節(jié)段預制拼裝環(huán)節(jié)中，將吊桿拆除作業(yè)前，如果張拉預應力比較小，拆除后極易引發(fā)事故，如果張拉預應力比較大，因為架橋機的剛度不如橋梁結(jié)構(gòu)大，預應力張拉施工中，橋梁上拱量相對小，所以容易出現(xiàn)吊桿力無法全部卸載的情況，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂的問題，對橋梁的耐久性、正常運營帶來很大的影響。

懸吊環(huán)節(jié)中，吊桿受預應力影響，結(jié)構(gòu)受力復雜性較高，拆除吊桿應選擇合適時機，并且加強張拉施工順序控制，這樣才能符合工程的要求。技術(shù)人員針對48m 階段拼裝簡支梁張拉力、吊掛匹配技術(shù)進行深入分析，確定如下要求：

第一，拆除還未拆除吊桿時，要嚴格控制截面上緣應力。因為結(jié)構(gòu)自重是吊桿承擔的，如果不分析確定張拉預應力，那么橋梁上拱之后所造成的架橋機卸載自重是通過預應力承擔的。這種條件下需要對預應力對橋梁應力影響分析，而后按照要求工藝開展張拉作業(yè)，如此才能夠?qū)㈩A應力鋼絞線持續(xù)作用發(fā)揮出來。同時，在施工的過程中若結(jié)構(gòu)應力沒有能夠達到標準要求，則需要明確相應的張拉量參數(shù)。此外，在施工環(huán)節(jié)還需要分析梁體結(jié)構(gòu)上拱所造成的應力，在張拉時需要嚴格按照施工標準做好截面上緣應力控制，如此才能確定拆除吊桿之前的最大預應力張拉量，確保結(jié)構(gòu)安全性。

第二，吊桿拆除作業(yè)后，應確保結(jié)構(gòu)完全達到安全標準。按照張拉工藝順序逐步進行張拉施工，不需要再了解其支撐性能的要求，簡支梁受到自重、預應力同時作用，為保證截面強度性能，還要使下緣沒有出現(xiàn)拉應力。該準則的應用目的是了解吊桿拆除前最小預應力束張拉。

5.2 簡化計算分析方法

5.2.1 有效預應力計算分析

以設(shè)計規(guī)范為出發(fā)點，綜合分析預應力參數(shù)，確定每束預應力直接引起的簡支梁上緣應力σ和下緣應力σ。

5.2.2 自重作用的上下緣應力分析

計算簡支梁自重，再將該自重除以橋梁跨徑，即得出近似的均布荷載參數(shù)。此次橋梁項目中的自重荷載分布為g=321.26kN/m，然后計算跨中彎矩M 自重=92522.01kN/m。根據(jù)上下緣應力標準計算得出上下緣應力分別σ=6072.979kPa、σ=-9568.95kPa（“-”代表下緣受拉）。

5.2.3 準則自重效應分析

因為預應力張拉施工中，橋梁結(jié)構(gòu)的自重是通過架橋機吊桿和張拉鋼絞線共同承載的，所以在計算上下緣應力時，還應分析確定張拉預應力過程中，簡支梁結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的影響。目前通用的方法是利用橋梁跨中上拱量和架橋機撓度比值，分析確定簡支梁自重是否是通過預應力承載的。

6 簡支橋梁設(shè)計的要點分析

6.1 計算環(huán)節(jié)

設(shè)計人員在分析設(shè)計中，應合理確定橋梁設(shè)計方案，分析其可行性參數(shù)。首先，按照橋梁正常使用壽命、現(xiàn)場環(huán)境確定設(shè)計方案，再計算受力條件，得出各個橋梁結(jié)構(gòu)部分的數(shù)據(jù)信息。其次，技術(shù)人員按照橋梁結(jié)構(gòu)尺寸，確定橋梁的車道板、主梁、橋梁制作及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的計算，主要包括剛度和穩(wěn)定性方面分析，然后通過計算分析的結(jié)論反向推定開始假設(shè)的橋梁結(jié)構(gòu)尺寸是否合理。如果發(fā)現(xiàn)假設(shè)的橋梁結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)未能通過驗證，則要重新確定，并且再次驗算分析，以提高數(shù)據(jù)的準確性。

6.2 常見錯誤和缺陷

簡支橋梁在正常的使用過程中，容易發(fā)生蜂窩、空洞、表層脫落等問題，具體分析如下：

一是橋面蜂窩，多數(shù)是由于在設(shè)計環(huán)節(jié)鋼筋設(shè)置的密度過高或者混凝土材料內(nèi)的粗骨料粒徑過大所造成的。二是橋梁空洞，發(fā)生原因多數(shù)是因為設(shè)計環(huán)節(jié)的鋼筋選擇不當，或者在施工時振搗不到位，還有可能是漏漿的問題。三是裂縫問題，很多橋梁經(jīng)過長期的運營都會發(fā)生裂縫的問題，一般包含網(wǎng)狀裂縫、下緣受拉裂縫、斜向裂縫等，以溫度變化、荷載作用形成的裂縫為主。裂縫的形成，一方面是因為混凝土的配合比參數(shù)設(shè)計不當，另一方面是因為橋梁長期運營中受到外部作用力的持續(xù)影響，從而誘發(fā)裂縫的危害。四是伸縮縫病害，簡支梁的伸縮縫是極為重要的結(jié)構(gòu)，因設(shè)計缺陷，導致伸縮縫存在病害問題，極易造成結(jié)構(gòu)端部剛度性能不足，或者錨固部件出現(xiàn)問題。個別設(shè)計人員經(jīng)驗不足，設(shè)計基礎(chǔ)知識掌握不夠牢固，沒有綜合分析各個方面的要素，造成伸縮縫性能不合格，從而引發(fā)嚴重的質(zhì)量問題。有些橋梁設(shè)計方案的缺陷，引發(fā)伸縮縫的病害問題，危害橋梁功能，產(chǎn)生的負面作用是巨大的。因此，設(shè)計人員針對上述的缺陷問題，規(guī)避設(shè)計缺陷，提高設(shè)計水平，為簡支梁橋的正常使用奠定基礎(chǔ)。

6.3 加強抗震設(shè)計

我國很多地區(qū)是地震多發(fā)帶，所以加強抗震設(shè)計是設(shè)計人員都應掌握的技能，以提升橋梁使用的穩(wěn)定性和安全性。不同地區(qū)地震發(fā)生率不同，地震強度也有差異，應考慮不同地震設(shè)計烈度和地質(zhì)條件，確定最佳方案，而這樣也會造成橋梁成本的升高。

橋梁建設(shè)中，盡量不要在液化土層區(qū)域內(nèi)建設(shè)，且連續(xù)梁橋的形式抗震效果明顯優(yōu)于簡支橋梁。具體選擇何種形式的橋梁，應從工程整體的需要及現(xiàn)場情況綜合分析確定，才能提高橋梁的抗震性能和水平。簡支橋梁在受到地震作用后，主要發(fā)生的病害是以下三個部分：第一，橋梁上部結(jié)構(gòu)損壞，具體表現(xiàn)為錯位、滑落等，但結(jié)構(gòu)本身并不會發(fā)生較大的傷害，也有可能是上部錨固結(jié)構(gòu)的斷裂，最終造成混凝土剝落、開裂等。第二，下部結(jié)構(gòu)損壞，具體表現(xiàn)為主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂、缺損等問題，也有可能是連接部位發(fā)生病害問題。第三，橋梁基礎(chǔ)發(fā)生損壞，具體表現(xiàn)為墩臺基礎(chǔ)位移、下沉等，會給整個橋梁造成極大的傷害，比如結(jié)構(gòu)錯位、滑落等，影響橋梁的正常使用。

橋梁的抗震設(shè)計開始前，組織地質(zhì)勘探專業(yè)技術(shù)人員進入現(xiàn)場進行詳細勘察，了解地質(zhì)條件，并與當?shù)氐卣鸩块T保持聯(lián)系，查閱地震發(fā)生情況資料，收集全部資料，才能明確具體的設(shè)計理念和要求，提高橋梁的總體水平。

7 結(jié)語

在簡支梁橋的抗震設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員應積極落實設(shè)計選型工作，根據(jù)需要計算各個結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)勢，編制橫向、豎向、橋向的設(shè)計方案，從而提高橋梁工程的質(zhì)量。同時，在簡支梁設(shè)計環(huán)節(jié)，還需要深入實際在了解設(shè)計標準以及要求基礎(chǔ)上，掌握橋梁的荷載參數(shù)，這樣才能切實提升橋梁設(shè)計水平，給橋梁工程項目建設(shè)奠定基礎(chǔ)。