預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋優(yōu)化設(shè)計(jì)常量理論探析

摘 要：本文以常量理論為主，從箱梁橋的尺寸和混凝土配置兩個(gè)方面上，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行簡(jiǎn)析。

關(guān)鍵詞：常量理論；預(yù)應(yīng)力混凝土；連續(xù)梁橋；設(shè)計(jì)優(yōu)化

0 引言

如果設(shè)計(jì)者不能夠準(zhǔn)確拿捏各構(gòu)件斷面的尺寸，就會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件斷面應(yīng)力不均衡的現(xiàn)象。對(duì)此，設(shè)計(jì)者只能根據(jù)自身的專業(yè)知識(shí)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并以相似的工程為例，判斷斷面的初始尺寸。下面筆者將以常量理論為主，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 預(yù)應(yīng)力箱梁橋構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)

1.1 橋跨

合理布置橋跨要求橋跨的總長(zhǎng)度和各橋梁的跨度都要符合《公路橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》上的要求，比如：在理論上，梁橋的最大跨度在250～300m之間，而在實(shí)際中符合經(jīng)濟(jì)效益的跨度是100～240m。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的邊跨與主跨的比值會(huì)直接影響到結(jié)構(gòu)的受力是否合理。如果比值過(guò)大，會(huì)使邊跨受到較大的主拉應(yīng)力，各跨的剛度之間也會(huì)產(chǎn)生較大的差值；如果比值過(guò)小，會(huì)使主墩受力不均，造成坍塌。要在保證橋梁安全和穩(wěn)定的前提下，盡可能地降低橋梁的恒載重量，梁高較小的情況下除外。梁高的變化會(huì)引起截面剛度的變化，但是對(duì)截面剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力的影響更大一些。

1.2 腹板、頂板和底板

箱梁橋的頂和底板的厚度，特別是腹板的厚度，會(huì)直接影響到橋體自身截面的抗剪能力以及鋼筋的布置，并且腹板的厚度和橋體自身截面的抗剪能力在一定的范圍內(nèi)是呈正比。

（1）腹板。雖然增加腹板的厚度可以提高橋體自身截面的抗剪能力，但是同時(shí)也會(huì)增加橋梁的自重，當(dāng)在重荷載達(dá)到70%時(shí)，要盡量減少自重。與其他形式的橋體相比，箱行截面預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋的腹板受力較為復(fù)雜，比如：正截面法向應(yīng)力和剪應(yīng)力等。同時(shí)由于腹板比較小，所以關(guān)于腹板厚度的設(shè)計(jì)要格外謹(jǐn)慎。

（2）頂板與底板。底板厚度與彎矩是成正比的，通常情況下，根部底板的厚度是根部梁高的1/10～1/12。在受力要求上，頂板既要承受橋面板的受力，又要滿足力筋的構(gòu)造要求。

1.3 橫隔梁

在腹板之間設(shè)置橫向連接可以提高箱梁的橫向剛度。橫向連接一般是在梁端或者是連續(xù)梁中支點(diǎn)的截面處。從受力的角度來(lái)說(shuō)，很多國(guó)家減少或是取消中間橫隔板的做法是可取的，因?yàn)槠渥饔每梢杂闷渌姆椒ㄌ娲热缇植考訌?qiáng)腹板。橫隔板的數(shù)量與施工難度是成正比的，這樣一來(lái)就會(huì)拖延工期，所以為了保證按時(shí)完成工程，可以選擇不設(shè)或是少設(shè)，然而從設(shè)計(jì)的安全性上來(lái)講，最好還是設(shè)置。

1.4 其他細(xì)部構(gòu)件

（1）懸臂板。在懸臂板上設(shè)置加勁肋或是斜撐，可以增加懸臂板伸出的長(zhǎng)度。懸臂自由長(zhǎng)度的增加對(duì)彎矩?cái)?shù)值沒(méi)有太大的影響，但是一旦確定了懸臂板的長(zhǎng)度，就會(huì)對(duì)由恒載引起的彎矩產(chǎn)生作用。

（2）梗腋。在頂板和腹板的接頭處設(shè)置梗腋，可以使截面的抗扭剛度和抗彎剛度有所提高，并相應(yīng)地降低扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和畸變應(yīng)力。為了減小橋面板的跨中正彎矩的數(shù)值，可以加大橋面板的支點(diǎn)剛度。另外，梗腋還可以降低次應(yīng)力。

2 預(yù)應(yīng)力箱梁橋鋼筋的配置設(shè)計(jì)

2.1 縱向鋼筋

傳統(tǒng)的縱向預(yù)應(yīng)力配索方案是根據(jù)在不同應(yīng)力情況下受彎梁的破壞形態(tài)確定出來(lái)的，所以這種方案在實(shí)際工程中很實(shí)用。隨著時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)代橋梁工程的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)縱向預(yù)應(yīng)力配索方案稍有調(diào)整，并在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了直線式縱向預(yù)應(yīng)力配索方案。以下是對(duì)直線式縱向預(yù)應(yīng)力配索方案的介紹：

（1）理論依據(jù)。在強(qiáng)大的縱向預(yù)應(yīng)力的作用下，主梁發(fā)揮著一個(gè)偏心受壓構(gòu)件的作用，并且縱向預(yù)應(yīng)力和豎直截面所產(chǎn)生的摩擦力完全可以滿足豎直截面對(duì)抗剪力的要求。可以利用豎向預(yù)應(yīng)力和縱向預(yù)應(yīng)力來(lái)控制腹板的主拉應(yīng)力。

（2）正確的縱向預(yù)應(yīng)力配索方案。正確的配索方案首先要符合預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)，其次是結(jié)合受彎梁的受力狀態(tài)。因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的情況比較復(fù)雜，所以要考慮到縱向預(yù)應(yīng)力配索的錨頭布置等多個(gè)方面。在不了解抗剪強(qiáng)度機(jī)理的情況下，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光上來(lái)看，添加一定量的鋼筋是安全經(jīng)濟(jì)的。

2.2 豎向鋼筋

預(yù)應(yīng)力鋼筋一般是配置在腹板內(nèi)。從彈性力學(xué)理論上來(lái)看，豎向預(yù)應(yīng)力具有減小主應(yīng)力和主拉應(yīng)力的作用，但是對(duì)剪應(yīng)力沒(méi)有什么作用。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，卻忽略了箱梁的抗剪截面尺寸和抗剪極限承載力的驗(yàn)算。按理說(shuō)，腹板尺寸是由抗剪極限承載力決定的，所以豎向預(yù)應(yīng)力對(duì)控制應(yīng)力和控制界面沒(méi)有什么作用。另外還有一個(gè)原因是箱梁的高度受到了限制，豎向預(yù)應(yīng)力筋無(wú)法完全發(fā)揮出來(lái)。除此之外，還有一個(gè)重要的原因是預(yù)應(yīng)力筋與預(yù)留孔道之間的粘結(jié)操作質(zhì)量較差，具體原因體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，水泥和粗料集的砂配攪拌成的灌漿料沒(méi)有足夠的抗剪強(qiáng)度；第二，砂漿的含水量較大，形同虛設(shè)。所以可以取消豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋，盡可能地配置腹板鋼筋。

用增加箱梁的截面尺寸代替塑像預(yù)應(yīng)力筋，可以達(dá)到提高箱梁的承載力和抗剪能力的效果。常用的增加截面尺寸的方法分別是增加箱梁截面的高度和增加箱梁腹板的厚度。前者受到橋下凈空要求的限制，在設(shè)計(jì)上不容易實(shí)現(xiàn)，并且會(huì)影響到橋體的美觀；而后者既可以滿足荷載要求，還可以縮短工期，所以優(yōu)先選擇增加腹板厚度這種方法。

2.3 底板鋼筋

根據(jù)實(shí)際情況分析，配置底板預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)提高底板的抗拉能力的效果并不明顯，主要原因有：

（1）在箱梁中跨的底板設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋，就要在中跨附近的支座處斷開(kāi)，并且要按照后張法施工，在實(shí)際施工很困難，并且施工質(zhì)量也較差。

（2）波紋管與鋼筋粘結(jié)在一起，鋼筋的保護(hù)層厚度會(huì)不夠，粘結(jié)力度也不符合要求，會(huì)導(dǎo)致底板產(chǎn)生裂縫，施工質(zhì)量無(wú)法得到保障。

底板產(chǎn)生裂縫的主要原因是：第一，底板鋼筋過(guò)密；第二，預(yù)應(yīng)力損失較大；第三，薄底板產(chǎn)生溫縮。對(duì)此增加腹板的尺寸，將受力轉(zhuǎn)移到腹板上，在底板配置預(yù)應(yīng)力鋼筋，可以有效避免裂縫的產(chǎn)生，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，要重點(diǎn)關(guān)注底板、頂板以及腹板厚度，對(duì)于橫隔梁和預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置要嚴(yán)格遵循相關(guān)理論進(jìn)行，并結(jié)合實(shí)際施工情況進(jìn)行參考。

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