公路工程預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)分析

謝濤

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

1 工程概況

某大型橋梁工程通長(zhǎng)367.5m，設(shè)計(jì)行車速度為80km/h，橋梁擬采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)建設(shè)，但該橋梁所在地氣候條件變化無常，夏季經(jīng)常出現(xiàn)大風(fēng)現(xiàn)象，其最大風(fēng)速可以達(dá)到20m/s。因此，為保證橋梁的使用安全，要求合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，提升橋梁的使用性能。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)

2.1 橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1.2 橋梁下部構(gòu)造設(shè)計(jì)

（1）本工程橋梁設(shè)計(jì)前，經(jīng)勘測(cè)人員對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果，最終確定橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)一共設(shè)計(jì)有136 根，樁長(zhǎng)在6～12m不等。不同的地質(zhì)情況樁基礎(chǔ)的長(zhǎng)度不同，樁基礎(chǔ)的直徑設(shè)計(jì)為1.2m，樁與樁之間的距離控制在1m，鉆孔后孔位的偏差不得超出設(shè)計(jì)要求的3%。

（2）下部構(gòu)造鉆孔灌注樁的施工工藝為：先根據(jù)設(shè)計(jì)位置埋設(shè)護(hù)筒，護(hù)筒作用保護(hù)樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，護(hù)筒就位后布置鉆機(jī)并開始鉆孔施工。設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理控制鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免因鉆進(jìn)速度快而發(fā)生安全事故。鉆孔結(jié)束后依據(jù)國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行清孔作業(yè)，然后下放鋼筋籠、灌注混凝土，水下混凝土澆筑時(shí)最好一次澆筑完成[1]。

2.1.2 橋梁上部構(gòu)造設(shè)計(jì)

（1）下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后開始橋梁上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括橋梁的承臺(tái)、墩柱、箱梁截面積以及橫隔梁等。其中承臺(tái)、墩柱的設(shè)計(jì)工作主要是對(duì)相互的連接方式、澆筑方式、澆筑的混凝土性能以及承臺(tái)、墩柱本身的尺寸等進(jìn)行規(guī)劃。本次橋梁墩柱、承臺(tái)混凝土的強(qiáng)度應(yīng)保持在C35以上，澆筑時(shí)應(yīng)分層澆筑。

（2）橋梁橫截面積的設(shè)計(jì)中，首先要確定梁體橫截面的形式，由于本工程橋梁的跨徑在50m以上，橫截面的形式宜設(shè)計(jì)為箱型橫截面。與其他截面形式相比，箱型橫截面的抗扭剛度較大，且頂板、底板的面積寬闊，不僅可以抵抗橋梁的正負(fù)彎矩力，還能保障橋梁整體的穩(wěn)定性。因此，本橋梁的截面形式采用箱型橫截面，其梁體頂板的厚度設(shè)計(jì)為25cm，底板厚度設(shè)計(jì)為60cm[2]。

（3）橫隔梁的主要作用是提高橋梁截面的橫向剛度并保證橋梁整體的穩(wěn)定性。本次橋梁橫隔梁主要設(shè)計(jì)在箱梁與箱梁之間，同時(shí)支點(diǎn)的位置也設(shè)計(jì)有橫隔梁，不同位置橫隔梁的設(shè)計(jì)要求不同，對(duì)于腹板下方的橫隔梁只需配置一些普通鋼筋即可。對(duì)于其他位置的橫隔梁均要設(shè)置合理的配筋形式，所有的橫隔梁的寬度均設(shè)置在300～500mm，針對(duì)單箱梁的位置無須設(shè)置橫隔梁。

2.1.3 施工工藝設(shè)計(jì)

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工工藝的設(shè)計(jì)中，主要包括橋梁鋼筋施工、模板安裝、預(yù)應(yīng)力管道安裝、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、孔道壓漿等工序。其中對(duì)鋼筋施工設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需明確鋼筋的性能要求，鋼筋接頭的位置、數(shù)量等，模板設(shè)計(jì)中要合理地設(shè)計(jì)模板連接、材料、尺寸等；波紋管的設(shè)計(jì)主要是確定波紋管的材料、位置，固定方式，波紋管宜使用定位鋼筋與腹板的箍筋焊接在一起，以避免出現(xiàn)波紋管下垂、錯(cuò)位的問題，如波紋管位置設(shè)計(jì)確定后，發(fā)現(xiàn)波紋管位置與鋼筋位置存在沖突，此時(shí)可適當(dāng)調(diào)整鋼筋的位置[3]。

（2）預(yù)應(yīng)力橋梁混凝土澆筑工藝的設(shè)計(jì)中，主要包括對(duì)混凝土材料的性能要求，如坍落度、含水率、強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，以及混凝土施工時(shí)的相關(guān)要求，如混凝土澆筑時(shí)振搗棒與模板、預(yù)應(yīng)力管道、鋼筋等預(yù)埋件的距離應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以避免振搗過程中造成破壞。此外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)設(shè)計(jì)混凝土的養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度宜滿足國家現(xiàn)行規(guī)范的要求。

（3）混凝土澆筑后的工作為預(yù)應(yīng)力張拉，張拉過程的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）規(guī)范中的要求。張拉前混凝土的強(qiáng)度需滿足設(shè)計(jì)要求的90%以上，張拉時(shí)需明確滿足要求的張拉力與伸長(zhǎng)量，以便施工人員可以控制張拉效果。橋梁張拉力與伸長(zhǎng)量與設(shè)計(jì)值誤差在6%以內(nèi)即視為合格，張拉后對(duì)孔道壓漿的施工方法及質(zhì)量要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，孔道壓漿的時(shí)間應(yīng)在張拉后24h內(nèi)進(jìn)行，壓漿時(shí)的壓力宜控制在0.7MPa，壓漿后孔道兩側(cè)的水泥砂漿均勻連續(xù)冒出即視為壓漿合格。

2.1.4 橋梁安裝設(shè)計(jì)

本工程橋梁梁體的制作在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)完成，然后再運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。因此，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)橋梁的安裝過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，梁體的安裝設(shè)計(jì)共分為三步。首先，將梁體從車輛上吊起，起吊時(shí)設(shè)計(jì)采用吊孔穿束的方法，利用起吊機(jī)械完成，吊起后保證橋梁穩(wěn)定的狀態(tài)下，將其吊放至橋梁支架位置；其次，在橋梁梁體就位后，設(shè)計(jì)臨時(shí)支撐裝置、鋼筋構(gòu)件與焊接板，對(duì)梁體進(jìn)行固定，以保證橋梁的穩(wěn)定安全；最后，利用架橋機(jī)進(jìn)行橋梁的架設(shè)，架設(shè)完成后拆除臨時(shí)支撐[4]。

2.2 設(shè)計(jì)中常見問題

2.2.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的問題，發(fā)生的主要原因是橋梁設(shè)計(jì)中未對(duì)擾動(dòng)力進(jìn)行合理控制。在橋梁設(shè)計(jì)施工完成后，車輛行駛過程中會(huì)對(duì)橋梁造成動(dòng)荷載，其動(dòng)荷載對(duì)橋梁的干擾就稱之為擾動(dòng)力。在擾動(dòng)力的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)不斷產(chǎn)生振動(dòng)問題，而產(chǎn)生的振動(dòng)問題不僅會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷，還會(huì)造成橋梁振動(dòng)變形，從而影響橋梁行車的安全。當(dāng)擾動(dòng)力的振動(dòng)頻率與橋梁固有頻率重合時(shí)，此時(shí)就會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損傷，且此類損傷會(huì)隨著時(shí)間的增加而進(jìn)一步擴(kuò)大，如不能及時(shí)處理，很容易導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)破壞而引發(fā)安全事故。

2.2.2 橋梁上拱問題

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)過程中如果沒有對(duì)橋梁的上拱度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，則橋梁設(shè)計(jì)施工完成后，很容易導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)上拱問題，一旦的橋面呈現(xiàn)為波浪形，當(dāng)車輛高速通過此橋面時(shí)，由于橋面的高低不平，極易導(dǎo)致車輛遭受干擾，從而影響人們的行車體驗(yàn)，甚至威脅車內(nèi)人員的生命安全[5]。

（2）橋梁上拱問題的發(fā)生主要是由于車輛與橋梁之間的動(dòng)力耦合作用。車輛行駛時(shí)，由于向前具有一定的速度，此時(shí)會(huì)對(duì)橋梁形成一定的作用力，當(dāng)長(zhǎng)期保持車輛通行，此作用力會(huì)慢慢對(duì)橋梁造成一定的影響，從而導(dǎo)致橋梁上拱，影響橋梁的行車體驗(yàn)。因此橋梁設(shè)計(jì)時(shí)可以針對(duì)橋梁的行車數(shù)量，合理地設(shè)置上拱度，則可以抵消因車輛與橋梁的耦合作用力，從而避免此類問題的發(fā)生。

2.2.3 橋面排水問題

橋梁設(shè)計(jì)中排水系統(tǒng)至關(guān)重要，排水系統(tǒng)主要位于橋面中，可以及時(shí)地將橋面的積水排出橋梁，從而避免積水對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的侵蝕，但在橋梁設(shè)計(jì)工作中經(jīng)常出現(xiàn)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善的問題，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患，橋梁設(shè)計(jì)中常見的排水設(shè)計(jì)問題主要包括3點(diǎn)，具體如下：

（1）排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)位置不合理，如面層內(nèi)部設(shè)置有排水管道，但設(shè)計(jì)時(shí)排水管道的位置設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致積水滲透后無法匯集至排水管道中，從而引發(fā)病害[6]；

（2）排水材料設(shè)計(jì)問題，如采用的排水材料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性不好，在經(jīng)過夏季、冬季的溫度變化后，導(dǎo)致排水管道受損，從而影響排水效果；

（3）橋面設(shè)計(jì)不合理，橋面排水管道中的積水會(huì)通過重力作用向兩側(cè)的排水溝匯集，從而將積水排出，但橋面設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)的坡度不合理，導(dǎo)致積水難以排出，從而造成排水問題。

2.3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.3.1 設(shè)計(jì)的合理性

（1）本工程預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)工作中要注意設(shè)計(jì)方案的合理性，對(duì)設(shè)計(jì)方案的確定，一定是基于對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察的情況下，明確場(chǎng)地的地質(zhì)條件、氣候問題、水文條件、行車條件后綜合確定設(shè)計(jì)方案，從而保證設(shè)計(jì)的合理性。此外，設(shè)計(jì)工作開展時(shí)，要注意對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的把控，每個(gè)細(xì)小變化均可以影響橋梁整體結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計(jì)工作中要嚴(yán)格做好細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。

（2）橋梁設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意做好預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)埋件的設(shè)計(jì)工作，預(yù)應(yīng)力橋梁中的預(yù)埋件主要包括隱蔽的鋼筋結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力管道、伸縮縫、支座等，其中在鋼筋結(jié)構(gòu)、伸縮縫、支座等預(yù)埋件設(shè)計(jì)中，應(yīng)明確預(yù)埋件的位置、數(shù)量、連接方式，保證鋼筋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；預(yù)應(yīng)力管道預(yù)埋件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力大小設(shè)計(jì)管道的位置、固定方式、管道材料等，同時(shí)合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力管道混凝土澆筑施工的方式，保證預(yù)埋件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[7]。

2.3.2 注意參數(shù)計(jì)算

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)工作中會(huì)存在大量的參數(shù)設(shè)計(jì)工作，如橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)拱度設(shè)計(jì)值、橋面的設(shè)計(jì)坡度，橋梁施工時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)的控制應(yīng)力大小、混凝土坍落度的范圍、壓漿施工時(shí)壓漿的壓力大小等，每個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)質(zhì)量造成影響。因此在本工程橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)注意做好參數(shù)的計(jì)算工作，針對(duì)參數(shù)的計(jì)算可以采用正向計(jì)算與反向驗(yàn)算2 種方式。正向計(jì)算得到的參數(shù)可以作為基本的參數(shù)依據(jù)，反向計(jì)算可以驗(yàn)證參數(shù)是否合理，通過最終參數(shù)的對(duì)比，從而確定參數(shù)是否合理。

2.3.3 注意溫度修正

（1）溫度是保證整個(gè)橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。如橋梁施工時(shí)周圍的溫度變化過大，則很容易導(dǎo)致材料性能發(fā)生變化，從而影響施工質(zhì)量。因此，在橋梁設(shè)計(jì)階段就應(yīng)做好溫度的修正工作，明確施工時(shí)部分關(guān)鍵工藝的溫度要求，一旦溫度變化超出設(shè)計(jì)要求的溫度，則可以停止施工，或采取措施將溫度誤差控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，以保證橋梁的性能。

（2）除溫度的修正外，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的應(yīng)力設(shè)計(jì)也十分重要。在應(yīng)力設(shè)計(jì)階段，要充分搜集相關(guān)資料，并做好記錄與測(cè)試，然后根據(jù)不同的測(cè)試結(jié)果判斷本工程橋梁應(yīng)力的設(shè)計(jì)值，確定應(yīng)力之后，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)對(duì)應(yīng)力值進(jìn)行反復(fù)的對(duì)比核算，以保證應(yīng)力的合理，確保橋梁預(yù)應(yīng)力的張拉質(zhì)量。

2.3.4 加強(qiáng)防震設(shè)計(jì)

橋梁設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意做好橋梁防震性能的設(shè)計(jì)。增加橋梁的防震性能，不僅可以提升橋梁面對(duì)地震自然災(zāi)害的能力，同時(shí)還能夠增加橋梁的抗震性能，避免因橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)而引發(fā)的問題，針對(duì)橋梁的防震設(shè)計(jì)可根據(jù)以下3點(diǎn)進(jìn)行展開：

（1）橋梁防震設(shè)計(jì)前期，設(shè)計(jì)單位可以安排檢測(cè)人員對(duì)周圍區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)比周圍同類工程的防震等級(jí)，然后再根據(jù)實(shí)際的調(diào)研結(jié)果以及本工程的實(shí)際情況合理地選擇橋梁的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)橋梁的孔徑、橋位等相關(guān)參數(shù)；

（2）橋梁設(shè)計(jì)過程中可以優(yōu)化橋梁的整體布局，提升橋梁結(jié)構(gòu)的合理性，從而改善橋梁結(jié)構(gòu)的剛度[8]；

（3）橋面設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過增加或減少伸縮縫的數(shù)量提升橋梁的整體性能，同時(shí)采取措施將橋梁結(jié)構(gòu)底部進(jìn)行加固，并保證支座的強(qiáng)度，從而增加橋梁的穩(wěn)定性，提升其防震性能。

2.3.5 加強(qiáng)橋梁耐久性

橋梁建設(shè)完成后長(zhǎng)期處于外界環(huán)境之中，無論刮風(fēng)、下雨或下雪，均會(huì)直接遭受自然環(huán)境的侵蝕，同時(shí)橋梁常年四季使用，車輛的行車荷載會(huì)一直存在，在長(zhǎng)期外界環(huán)境與行車荷載的作用下，橋梁難免會(huì)遭受影響，因此，為保證橋梁的使用壽命，在本工程橋梁設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)橋梁耐久性的設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇高強(qiáng)度的材料或添加劑，增加橋梁材料的耐久性；其次，橋梁設(shè)計(jì)工作中可以提前對(duì)可能遭受的外界環(huán)境及行車荷載進(jìn)行估測(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)將影響因素全部考慮在內(nèi)，以增加橋梁的耐久性；最后，合理設(shè)計(jì)橋梁的施工工藝，保證其施工質(zhì)量。

3 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在我國橋梁施工中的應(yīng)用十分廣泛，其設(shè)計(jì)質(zhì)量與橋梁后續(xù)的使用性能及安全密切相關(guān)。因此，為保證預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的使用性能，在設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)單位應(yīng)做好設(shè)計(jì)控制工作，設(shè)計(jì)工作中把控每一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而保障預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，延長(zhǎng)橋梁的使用年限。