预应力混凝土连续大箱梁桥设计分析

预应力混凝土连续大箱梁桥设计分析

赵娜

中土大地国际建筑设计有限公司上海分公司 201321

摘要:随着经济的发展，以互通立交为代表的高速公路建设取得了长足进步。为了避免工程用地过多，同时满足道路线形的需要，设计人员采取曲线桥梁设计方式，将墩柱之间的距离扩大，并采取暗横梁的方式拓展空间视野，从而实现了梁桥美观性和实用性的统一。本文就连续弯梁桥的设计进行探讨。

关键词:预应力；混凝土；连续弯箱梁

引言

梁体适应性强、结构形式多样是现浇预应力混凝土斜腹板连续大箱梁的特点，梁结构的设计可以采取单箱单室或多室，跨度应当以施工当地的实际情况确定。大挑臂可以代替盖梁，使桥体更加美观。目前工程建设中使用范围最广的结构是连续梁，因为其抗压力强，能够提供更舒适的行车体验。

1预应力混凝土连续大箱梁桥设计的基本原则

1.1科学布置桥跨

连续箱梁桥能够进行连续变形，因此容易出现主体结构受力差异的现象，如中跨与边跨比例失调则该现象更为明显，甚至会导致严重的安全事故。边跨结构的纵向刚度与边中跨的比例有关，若比例偏大则会导致边跨的纵向刚度相对偏小，从而使中跨的刚度降低。恒载与活载对建筑的应力要求较高，在两种荷载的作用下，边跨会承受较大的主拉应力。此外，如果边跨和中跨比例过小，则容易发生支座落空的现象，因为边跨支点会产生较大的负反力。

1.2横隔板的配置

箱梁截面横向刚度主要由横隔板决定的，横隔板会抑制桥体产生畸变。抗扭性主要由箱形截面决定，因此当下该领域内的专业人士认为，应当将跨中的横隔板减少或去除，通过改变支座处的横梁结构，从而减小支座周围的主拉应力。

1.3腹板、底板与顶板厚度

腹板的厚度可以调整，但其最小值应当与桥梁构造造型相匹配，而承载力是决定腹板厚度的最主要元素。在连续箱梁桥中，负弯矩的提高会引起底板厚度的增加，因此可以将梁桥的根部加厚。顶板的厚度应当首先满足桥面对横向弯矩的要求，并且还应当符合布置在横纵之间预应力钢筋与钢束的要求。箱梁桥中占比较大的材料应当准确定位，并在专业人士的指导下妥善安置，从而提升施工的效率和工程的质量。

2预应力混凝土连续大箱梁桥设计的方法

2.1截面形式

抗扭性能是评价弯梁桥性能的重要指标，由于弯梁桥实际承受的扭距较大，因此多采取箱型截面形式，具体包括单箱单室与多室、双箱单室。宽桥多选择多室箱梁，但这种设计方式受到诸多条件的限制，例如难以分析受力情况、施工技术难关尚未突破等，因此在设计宽桥时，设计师多考虑平行双桥的方式，因为平行双桥有利于不均匀沉降作用，并且能够抵抗由于温度变化而产生的横向变形作用力，从而为伸缩缝的设置提供便捷。

如下图所示，截面为单箱三室、大挑臂的形式。

2.2桥墩形式

在选择弯箱梁桥的桥墩形式时应当以梁桥的上部结构为参考。双柱墩或多柱墩的桥墩适合于箱型截面，因为这种桥墩形式有利于布置墩位，从而稳定桥梁结构并延长其使用年限，并且兼顾美观性。若弯箱梁桥的弯曲度较低，应根据具体情况选择支撑横梁位置对横梁进行加宽，将支座之间的距离加大，从而稳定桥梁结构。此外，若桥梁宽度较大或采用分离式双箱的截面时，应当使用分离式桥墩。

2.3支座布置

弯箱梁桥尤其是连续弯箱梁桥的支座布置较为繁琐，支座位置的合适与否直接影响梁桥的受力性能，因而决定着梁桥能否正常投入使用，这一过程存在着下述问题：

（1）固定支座的扭矩是恒定的，若双支座无法与其相匹配时，则会导致支座处反力与扭矩验算误差等现象。因此，在进行支座的布置时，施工人员应当以提升梁桥的行车能力为目标，妥善处理桥面向外弧侧偏移、内弧侧支座脱空、伸缩缝功能不良等现象。

（2）若双支座能够与固定支座的扭矩相匹配，则桥面的径向位移不能得到有效控制，因此桥面容易受到温度的影响而发生热胀冷缩。若此时约束桥面两端，则会使桥面径向起拱，呈现出双铰拱的形式，使得梁桥产生偏心的恒荷载，从而导致扭矩的产生，进而会使梁桥朝外弧侧发生偏斜。

针对上述问题，结合相关领域内现有经验，专业人士提出了如下控制方法：

（1）将抗扭支座布置在桥台两端和梁桥的跨中位置，从而避免桥面的切线方向出现位移。这种设计能够对伸缩缝等结构进行有效保护，以免桥面的位移幅度过小，不能应对外部条件的变化。

（2）两个抗扭支座之间应当间隔1-2跨布置，从而使切向位移能够灵活变化，不至于受到外界条件的制约。同时，双柱墩或薄壁墩通常布置在横向抗弯刚度较大的桥墩上，这种抗扭支座的布置也应当选择此类桥墩。

2.4预应力连续弯箱梁桥预应力配筋原则

（1）和通常的直线桥梁不同，在对曲线桥梁进行预应力配筋时，应当首先考虑桥梁抵抗扭矩的问题，并在实际设计时将影响桥梁应力的因素如扭矩、剪力、弯矩、轴力等综合考虑，从而使施工更加具有针对性。

（2）梁桥总预矩能够保持不变，原因在于连续直线桥二次弯矩的线性特性，因此能够在中支点处进行钢束竖向位置变化和线性变换等。然而，这些变化会改变附加弯矩，因此会使压力线的位置发生变化，即线性变换理论将不再能够用于移动中支点处的钢束竖坐标的变化。因此，预配束应当以实际经验为基础，其设计荷载应采用恒载与部分均布荷载的叠加。

（3）为避免连续弯梁桥出现预应力损失的现象，应当谨慎计算摩擦阻力。与直线桥不同，连续弯梁桥具有存在双向曲率的钢束，因此摩擦阻力比直线桥更大。所以设计人员应当以梁桥的实际情况为准进行预应力的损失预估，尤其在长束设计方案中，预估预应力更为重要。

3预应力混凝土连续大箱梁桥设计要点

对大箱梁上部结构进行建模分析，采用桥梁博士平面杆系有限元程序（V3.5.0），并且用A类构件设计主梁，分析验算时应当在构件正常使用和承载力处于极限状态下进行。例如，在30+50+30m一联中，将模型划分为113个单元和114个节点，混凝土采用C50（图1）。

图1预应力混凝土大箱梁整体模型

荷载包括活载、恒载、梯度温度荷载、整体温度荷载、预应力荷载及支座不均匀沉降和混凝土收缩徐变等等。具体的施工阶段划分如下：

表1施工阶段划分表

纵向计算结果以正常使用极限状态正截面验算和长期使用时承载能力的极限为例。在负荷量达到极限时，上下缘的最大弯矩应当小于主梁正截面的抗弯承载力。图2即正截面抗弯验算包络图。

图2正截面抗弯验算包络图（单位：kN·m）

除去横梁位置的局部失真之外，顶缘在短期荷载作用时受到的拉应力

σst-σpc=1.13MPa，底缘σst-σpc=0.01MPa，均小于0.7ftk=1.855MPa（拉应力），此数值满足规范要求。图3即短期正截面抗裂验算的包络图。

图3正截面抗裂验算（短期）包络图（单位：MPa）

4预应力混凝土连续箱梁桥梁结构的优化设计

4.1设计计算方法改进

随着经济的发展与重工业的进步，预应力混凝土工程技术也取得了长足发展。在多种新型技术的辅助下，桥梁的使用寿命有所延长，并且行车舒适度也得到了提升。此外，桥梁的内部构造也变得日趋复杂。当下，“箱梁桥”的设计软件编制多采取平面杆系单元的方式，因为这种线性静力平面的软件能够对梁桥建筑的各种参数进行宏观控制，但缺点是精确度不足，因此数据的可信度相对较低。与此同时，业内专家提出了平面结构分析法，这种方式能够对箱梁桥的整体建模进行分析，但是更加先进的空间分析法应用更为普遍，因为后者能够精确分析关键部位，并对配筋构造等进行细致入微的分析。实验数据表明，空间分析法能够解决预应力混凝土连续箱梁桥梁结构优化过程中的诸多问题，因此具有积极的发展前景。

4.2预应力束构造与钢筋配置的改进

斜裂缝的产生主要是由于纵向参与受力的钢束布置不合适所致，并且斜裂缝多见于梁桥腹板。因此，设计师应当在借鉴既往材料选择和设计方案经验的基础上，首先进行模拟设计，进而根据模拟结果调整实际场地中所需的材料，从而实现预应力束和钢筋的优化设计。此外，主筋和骨架筋的设计应当按照施工图纸的要求执行，下料和运输工作应当与施工同期完成。坐标的设计应当在安装钢筋骨架之后进行，同时应当安装管道，设计师的工作经验在预应力束设计和建造过程中起着至关重要的作用。设计师应当明确数据的作用，做到既将数据作为重要的参考依据，同时又不受其约束。这种思维有助于设计师拓展思维空间，使桥梁的设计更加合理化。

4.3构造尺寸设计改进

桥梁的数据包括跨径、桥宽等，这些数据应当相互协调。预应力混凝土的设计过程应当选取多个方案，并从中寻找最优方案，顶板和底板（尤其是腹板）厚度的增加能够增强桥梁的抗剪切力，并且能够为后续的钢筋材料布置环节做好准备。为增强桥梁的性能，应当优化设计横隔板结构，将横隔板之间的距离缩短，即采用多箱结构或双箱结构等方式，合理使用施工材料进行横隔板设计布局。良好的桥梁尺寸设计方式能够使桥梁更加坚固耐用，尤其曲线桥梁，其整体受力效果能够得到优化。

结语

综上所述，桥梁结构的设计与分析工作首先应当保持跨径、桥宽等参数恒定，然后采取典型的箱型截面方式进行设计，钢筋预应力的实际配比等参数也应纳入综合考虑。对于截面形式和钢筋预应力结构中的多种数据，包括普通钢筋、钢束、混凝土的用量及梁高等相关参数，设计师应当借助既往经验进行综合分析，并且将实验所得结果进行深入探讨，从而得出科学合理的设计方法。

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