鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力公路橋梁工程的設(shè)計(jì)分析

張一權(quán)

摘 要：在斜拉橋、連續(xù)梁等橋梁中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，施工效果良好。為發(fā)揮預(yù)應(yīng)力技術(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力公路橋梁中前期的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)綜合多方面因素來優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)?；诖?，重點(diǎn)分析鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力公路橋梁工程的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望對同類型項(xiàng)目具有指導(dǎo)與借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力技術(shù)；公路橋梁工程；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中圖分類號：U448.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）04-0019-03

0 引言

鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力公路橋梁的抗震性好、穩(wěn)定性高，主梁變形撓度曲線平緩、橋面伸縮縫小，不僅可增強(qiáng)整體的結(jié)構(gòu)安全性，更能為人們提供更為舒適的通行條件。當(dāng)前一些公路橋梁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大，為克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)下的劣勢，可用高強(qiáng)度鋼筋與混凝土并施加一定的外力，來減小各構(gòu)件承載的應(yīng)力，降低結(jié)構(gòu)承壓力。未來的公路橋梁中行業(yè)內(nèi)需大力推行鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力技術(shù)，設(shè)計(jì)人員需從實(shí)際情況出發(fā)優(yōu)化細(xì)節(jié)。

1工程概況

某公路橋梁工程（K33+300.00橋），位于貢山縣迪布里（滇藏界）至中緬邊界（41號）界樁國邊防公路（雄當(dāng)至迪郎橋段）上，本橋?yàn)榭缭缴綔隙O(shè)置（山溝有泥石流）。上部結(jié)構(gòu)采用2×30 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁；下部結(jié)構(gòu)0#橋臺、1#橋臺采用樁柱式橋臺，橋墩采用雙柱式橋墩，樁基礎(chǔ)均按摩擦樁設(shè)計(jì)。全橋的起點(diǎn)樁號為K33+266.97，橋梁的終點(diǎn)樁號K33+333.03，全長66.06 m。

此橋梁工程所處地段的地形地勢環(huán)境十分復(fù)雜，地形切割深，沿線左、右橫坡較陡，全線在多處跨越河流與溪溝，且沿線路段的地層條件復(fù)雜，基巖地層為上古代生界石炭系（未分）Ca、Cb、Cc變粒巖、大理巖、片巖、石英巖、角閃巖、混合巖地層，第四系覆蓋層總體厚度變化幅度較大。

2 橋梁設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

綜合本工程項(xiàng)目現(xiàn)場的地質(zhì)地形、水文土質(zhì)等條件，并考慮結(jié)構(gòu)安全性、抗震性要求，橋梁為單幅結(jié)構(gòu)，只需設(shè)置邊防撞護(hù)欄。上部結(jié)構(gòu)用先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋跨按照2×30 m布置，0#、2#橋臺選擇樁柱式橋臺，橋墩為樁柱式橋墩，全橋基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁，橋臺后設(shè)6 m長的鋼筋混凝土搭板。為保障橋梁橫坡的合理性，設(shè)計(jì)人員需參考墩臺蓋梁和墊石高度來調(diào)整，避免橋面橫坡過大或者過小。

伸縮縫在橋梁結(jié)構(gòu)中有著重要的作用，本工程項(xiàng)目中通過分析結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，最終選用CD-60型伸縮縫，分別布設(shè)于0#、2#橋臺[1]。全橋采用GYZ450×99 mm型板式橡膠支座和GYZ600×1100 mm型板式橡膠支座，其中，橋臺位置和橋墩位置應(yīng)區(qū)分開來，前者用GYZ450×99 mm，后者用GYZ600×110 mm。在設(shè)計(jì)T形梁的過程中，應(yīng)引入Midas/Civil 2006空間有限元程序，并按照單梁格展開計(jì)算與分析，主梁按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)。

T型預(yù)制梁高2.0 m，上設(shè)10 cm厚的現(xiàn)澆橋面混凝土，用10 cm瀝青混凝土橋面鋪裝。T梁間距2.45 m，中梁預(yù)制寬1.8 m，翼板間留有0.5m的橫向濕接縫，跨中段預(yù)制T形梁梁肋寬0.2 m，馬蹄寬0.5 m?？拷瞬繒r的梁肋寬從0.2 m漸變?yōu)?.5 m，與馬蹄寬度一樣，漸變長度為3.6 m，梁肋寬由0.5 m漸變到0.6 m，漸變長度為1.2 m，端部1～1.4 m范圍內(nèi)梁肋寬0.6 m。本工程項(xiàng)目中30 m T形梁鋼束錨下控制張力如表1所示。

3 鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力公路橋梁工程的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 抗震設(shè)計(jì)

任何公路橋梁工程項(xiàng)目中都不可忽視抗震設(shè)計(jì)，對鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力公路橋梁工程而言也是如此。設(shè)計(jì)人員需重視抗震設(shè)計(jì)，并結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)目拐鹪O(shè)計(jì)方法，如應(yīng)考慮橋臺墻，以保障其能承受地震時的慣性荷載，符合路橋工程中對梁柱尺寸、延性等提出的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員在抗震設(shè)計(jì)中，必須嚴(yán)格參考有關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

通常情況下，當(dāng)出現(xiàn)地震災(zāi)害時，對背墻、翼墻雖有一定的損壞，但損壞較小。橋臺地震來臨時橋梁系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)參與度，直接反映的是設(shè)計(jì)效果與結(jié)構(gòu)配置，為此，抗震設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員應(yīng)分析橋梁與橋臺系統(tǒng)之間的荷載傳遞特點(diǎn)，墻土系統(tǒng)的有效剛度、受力情況，橋臺墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求等，優(yōu)化局部設(shè)計(jì)[2]。

公路橋梁在地震荷載影響下，土壓力往往對橋臺墻有較大的作用力，從靜態(tài)變化角度分析，其涉及兩種狀態(tài)：動態(tài)主動壓力狀態(tài)，墻體與回填的距離較大；被動壓力狀態(tài)，在橋梁慣性荷載下，需采取措施提升結(jié)構(gòu)抗震性。

行業(yè)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于抗震設(shè)計(jì)有清晰的規(guī)定：橋臺抗力應(yīng)力限值為70%，有關(guān)設(shè)計(jì)中需嚴(yán)格遵照此標(biāo)準(zhǔn)展開設(shè)計(jì)。橋臺剛度與被動能力之間為雙線性關(guān)系，如地震作用下背墻存在平移運(yùn)動，基本可判定被動壓力在高度上為均勻分布的關(guān)系。

工程設(shè)計(jì)中為提高結(jié)構(gòu)抗震性，可采用以橋臺為縱向抗震系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，使橋臺能承受地震位移。如在設(shè)計(jì)中僅考慮橋臺剛度、承載力，則需將橋臺位移形成的被動壓力區(qū)延伸到工作靜荷載設(shè)計(jì)的主動壓力區(qū)之外，墻體總高度應(yīng)在10 m以內(nèi)；當(dāng)為結(jié)構(gòu)性土墻時，橋臺基礎(chǔ)前緣到面板背面的距離需超1.2 m，橋臺基礎(chǔ)覆土厚度不得小于15 cm。

3.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1預(yù)制T梁

本橋梁工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，T梁預(yù)制為關(guān)鍵步驟，設(shè)計(jì)人員與施工人員應(yīng)充分交流與協(xié)商，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況逐一對各片T梁編號，以保障后續(xù)安裝作業(yè)時可對號入座，編號中應(yīng)包含孔號、梁號。澆筑預(yù)制T梁混凝土之前，有關(guān)人員需檢查各種附屬設(shè)施的預(yù)埋件是否符合要求，當(dāng)達(dá)到相關(guān)規(guī)定后再行澆筑。預(yù)制T梁應(yīng)采用鋼模板，并將各制梁段的斷面尺寸控制在合理范圍內(nèi)。梁端2 m范圍內(nèi)的混凝土應(yīng)為錨下混凝土，因?yàn)殇摻罹W(wǎng)分布密集，施工中應(yīng)充分振搗，并嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。預(yù)應(yīng)力張拉階段有關(guān)人員應(yīng)密切監(jiān)測主梁側(cè)向撓度，嚴(yán)格控制腹板，使腹板在任何位置上的側(cè)彎都在1.5 cm以內(nèi)[3]。預(yù)制T梁橫隔板、梁端、梁頂板等與現(xiàn)澆混凝土接觸面時，鑿毛、沖洗為關(guān)鍵步驟，只有做好這些工作，方可保障新舊混凝土良好的結(jié)合效果。為避免施工中出現(xiàn)混凝土裂縫、邊棱破損情況，只有當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后才可拆模。

整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為避免預(yù)制T梁的上拱過大，預(yù)制T梁與現(xiàn)澆濕接縫及橋面鋪裝混凝土的收縮差過大，需合理控制存梁期，一般不得超過60 d。與此同時，為避免同跨、相鄰跨預(yù)制T梁間存在過大高差，同一跨的預(yù)制T梁存梁期應(yīng)大致一樣，并減小相鄰跨各預(yù)制T梁存梁期的差值。T梁架設(shè)安裝環(huán)節(jié)應(yīng)遵循對稱性、均衡性原則，同一孔4片預(yù)制梁齡期差應(yīng)在10 d以內(nèi)。架設(shè)梁體的過程中，應(yīng)采用可靠的、防止梁體就位后側(cè)傾的措施。T梁正常就位后，需立即安排專人焊接橫隔板間的鋼筋，并對橫隔板、翼板濕接縫實(shí)施混凝土澆筑作業(yè)。運(yùn)梁環(huán)節(jié)兩條軌道應(yīng)布設(shè)于相鄰兩片梁肋上，為此要保持軌道軸線與主梁腹板軸線的重合，嚴(yán)禁將兩條鐵軌直接布置在同一片梁上。T梁運(yùn)梁、安裝就位環(huán)節(jié)需采取有效的措施，梁體橫向傾斜度和縱向傾斜度應(yīng)分別大于3°、5°。

3.2.2T梁堆放

預(yù)制梁堆放階段，施工人員需合理選定堆放支承位置，確保該位置與構(gòu)造圖中的支承位置一樣。如存在現(xiàn)場場地限制需多層堆放時，疊放層數(shù)不得超過2層，且上下兩側(cè)梁肋軸線需位于同一鉛垂線，嚴(yán)禁直接將上層預(yù)制梁梁肋置于下層預(yù)制梁行車道板位置的情況。與此同時采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，避免出現(xiàn)預(yù)制梁的側(cè)傾現(xiàn)象。

3.2.3連續(xù)處濕接頭混凝土澆筑

連接處濕接頭混凝土的澆筑作為十分重要，在此設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)注意以下5個方面：①當(dāng)一聯(lián)內(nèi)梁體全部安裝就位，且墩頂臨時支座、永久支座標(biāo)高、連續(xù)處濕接縫的普通鋼筋、管道布置等通過驗(yàn)收后，才可進(jìn)入混凝土的澆筑環(huán)節(jié)。②濕接頭混凝土的澆筑中也需選擇恰當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)時機(jī)，一般要在一天內(nèi)氣溫最低的時候?qū)嵤?，各現(xiàn)澆連續(xù)接頭的澆筑氣溫，溫差不得超過5℃，且需嚴(yán)格遵循澆筑順序的要求[4]。③永久支座需在設(shè)置濕接頭底模板之前安裝，在此施工環(huán)節(jié)，濕接頭部位的模板強(qiáng)度、剛度應(yīng)達(dá)到要求，且應(yīng)與預(yù)制梁體表面保持緊密貼合，控制好搭接長度，各個縫隙部位應(yīng)保持嚴(yán)密性。④連接段濕接頭內(nèi)的鋼筋與波紋管分布較為密集，利用插入式振搗棒開展相應(yīng)的施工作業(yè)時，可引入振搗鏟人工搗固的方式，并綜合多方面因素制定最為科學(xué)的振搗方案，以指導(dǎo)后續(xù)的振搗作業(yè)。⑤濕接頭混凝土的養(yǎng)護(hù)周期應(yīng)超過14 d，混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)階段，嚴(yán)禁任何人員、車輛碾壓混凝土面。

3.2.4T梁現(xiàn)澆橋面混凝土澆筑

現(xiàn)澆橋面混凝土與預(yù)制T梁的齡期差不得超過3個月，澆筑作業(yè)中有關(guān)人員需將環(huán)境溫度控制在合理范圍內(nèi)，氣溫條件需在10～30℃范圍內(nèi)。橋面混凝土澆筑作業(yè)開始之前，有關(guān)人員需預(yù)先測定各孔各片裸梁縱橫向的控制點(diǎn)標(biāo)高，以通過這一方式來合理調(diào)整鋪裝厚度。如在施工中需調(diào)整鋪裝厚度，應(yīng)保障調(diào)整后現(xiàn)澆混凝土層跨中附近的最小厚度在5 cm以上，支點(diǎn)附近的最大厚度不超15 cm。當(dāng)現(xiàn)澆橋面混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，汽車、重型施工機(jī)具才可在橋上行走。

3.3 橋梁細(xì)部尺寸設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力路橋工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，橋梁細(xì)部尺寸設(shè)計(jì)也關(guān)乎整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全，通過嚴(yán)控細(xì)部的各個尺寸，有利于提高整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平?，F(xiàn)場施工作業(yè)中，尺寸為重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)，也是施工依據(jù)。為此，前期的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從腹板設(shè)計(jì)、頂板和底板設(shè)計(jì)、橋面設(shè)計(jì)等著手。

3.3.1腹板設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力橋梁中，腹板在整個結(jié)構(gòu)體系中的作用突出，承受著來自橋梁截面的剪切應(yīng)力、主拉應(yīng)力，在特殊情況下彎矩可抵消剪切作用。因此，總體上分析，腹板承受的剪切應(yīng)力、主拉應(yīng)力相對偏小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可選擇小尺寸腹板設(shè)計(jì)方法。與此同時，需保障腹板的最小厚度符合配筋布置、混凝土澆筑的切實(shí)需求。

本橋梁工程的跨度較大，腹板設(shè)計(jì)中，若要保障腹板厚度，可從跨中逐步向支點(diǎn)部位加寬，以保障腹板能承受來自支點(diǎn)的剪切力。結(jié)合實(shí)際情況，選用300～600 mm尺寸的腹板最佳，局部位置處可選用1 m左右的腹板。本工程中，將支座位置的腹板厚度設(shè)為0.8 m，跨中腹板厚度設(shè)為0.4 m，整體呈二次拋物線變化，以保障腹板能承受剪切應(yīng)力與主拉應(yīng)力。

3.3.2頂板和底板設(shè)計(jì)

底板與頂板在公路橋梁中也有突出的作用，整個結(jié)構(gòu)體系中承受著正彎矩和負(fù)彎矩，同時承受著軸向拉荷載和壓荷載、豎向荷載壓力。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中需合理設(shè)置頂板和底板的厚度。底板既需要滿足承壓標(biāo)準(zhǔn)，還要確保中軸在底板范圍以內(nèi)并留有一定的富余。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其一般為橋梁墩頂梁高的1/12～1/10。底板厚度則需根據(jù)橋梁構(gòu)造情況來確定，如底板位置不需要配置鋼筋，底板厚度應(yīng)保持在15～18 cm之間。若跨中正彎矩相對較大，有配置鋼筋的必要性，可在正常的底板厚度基礎(chǔ)上適當(dāng)增大，如在20～25 cm之間[5]。

4 結(jié)語

鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力公路橋梁為交通領(lǐng)域較為常見的一類項(xiàng)目，為提高此類路橋工程的建設(shè)質(zhì)量，工程企業(yè)在項(xiàng)目中應(yīng)重視設(shè)計(jì)工作，在各個環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)任務(wù)中嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，發(fā)揮預(yù)應(yīng)力技術(shù)的突出優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 邰再科.公路橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)質(zhì)量控制分析[J].黑龍江交通科技，2020，315（5）：225+227.

[2] 劉雪山，李建中，張宏杰，等.不同構(gòu)造下的預(yù)制拼裝鋼管混凝土橋墩抗震性能試驗(yàn)[J].中國公路學(xué)報，2021，34（11）：116-128.

[3] 毛德均，許鵬，陳旭，等.體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土簡支梁的設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].公路工程，2021，46（2）：8-14.

[4] 黃志剛，徐志華，鄧俊雙，等.鋼管混凝土系桿拱-連續(xù)梁組合橋拱腳結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].公路，2020，65（10）：187-191.

[5] 牟風(fēng)芹，鞠一帆.公路橋梁工程中預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的檢測與加固[J].工程技術(shù)研究，2020，5（3）：89-90.