預應力混凝土連續箱梁橋設計分析

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前言

預應力連續梁具有外形美觀、整體性能好、施工方便以及抗震性能好等特點，尤其是在行車舒適度方面顯示出了高度的優勢。另外，這種橋型在設計和施工方面都具有較為成熟的技術，并且建成后的養護工作量也較小，所以在公路、城市和鐵路橋梁工程中運用地很廣泛。

1 預應力連續箱梁的設計理論

在設計橋梁時，不僅要對橋位所處的地理環境以及周邊環境進行調查，還要對橋型的特點、施工材料和技術等相關知識了如指掌，這樣才能夠在各種極限的狀態下保證施工的可行性和安全性。當然，除了技術上的指標之外，還要考慮橋型的經濟性和藝術性。其中，對橋型的布置和構造是預應力混凝土連續箱梁設計的關鍵步驟，其成果決定了橋梁設計的成敗。

1.1 橋型布置

橋型布置分為兩個方面:平面布置和立面布置。其中平面布置與路線的方向和河流或者是與被交線路的夾角、橋位所處位置的地質和地形等因素有關系。常見的布置方式有正交、斜交、反向曲線以及單向曲線等。正交橋梁的伸縮縫和墩臺與主梁中線垂直，這是最簡單的布置方式;斜交橋梁在滿足行車和宣泄洪水的前提下，既可以與主梁中線垂直，也可以斜交;曲線橋梁的伸縮縫和墩臺方向通過徑向布置，目的是便于內力分析。

1.2 構造設計

(1)橋梁橫截面設計。截面形式主要是根據橋梁的跨徑、梁高、寬度、總體布置、支撐形式以及施工方法等多種因素綜合確定。主梁的截面形式的選擇對施工、經費以及橋梁的自重和截面的受力性都有影響。

預應力橋梁常采用橫截面形式有板式、肋梁式和箱型式，較前兩種，箱行式的優點是抗彎性能和抗扭性能較強。另外，箱形截面沒有固定的結構，適合支架現澆、懸臂施工等施工方式。箱形截面又可以分為多種形式，常見的單箱單室橋寬不超過18m，雙箱單室橋寬要達到20m，而單箱雙室橋則要高達25m。

以箱行截面為例，敘述如何確定出底板、頂板和腹板的細部尺寸。負彎矩越大，箱梁底板厚度就要越厚，直到根部，所以根部底板厚度通常是根部梁高的1/10～1/12，跨中底板厚度通常是200～250mm。此外，在確定箱行截面頂板的厚度時，還要考慮橋面橫向彎矩和縱橫向預應力鋼筋布置兩個因素。

箱形截面頂板兩側的翼板可以調節頂板內彎矩，通常翼板的長度是腹板間距的一半。在配置橫向預應力筋時，翼板要盡可能地向外伸展。腹板的作用是承載截面剪力和主拉應力。對于預應力連續梁橋，彎束對荷載剪力的作用可以降低梁內剪應力和主拉應力。除了受力因素，還要考慮預應力鋼筋的布置和在混凝土澆筑后箱梁腹板的厚度，這個厚度要根據預應力束管道布置的情況而定。如果布置了預應力束管道，厚度為25～300mm，否則厚度為200mm。

在箱梁細部構造中，也要思考承托的形式和尺寸。承托對截面的抗彎剛度和抗扭剛度有一定的加強作用。承托所提供的空間方便了縱向預應力筋和橫向預應力筋的布置，在保證構造穩定的前提下，降低了頂板和底板的厚度。

(2)橫隔梁的設計。箱梁橫隔梁可以提高截面的橫向剛度，但是為了滿足構造的穩定需求，在支點處設置橫隔梁的同時還要適當地設置中橫隔梁，單箱單室截面除外。至于多箱截面，要在箱間設置較多的橫隔梁。對于使用頂推法施工的箱梁，可以臨時設置橫向連接，完工后再澆筑支點橫隔梁。

配筋形式與箱梁的支承方式決定了支點處橫隔梁的大小。如果支承是在梁腹板的下面時，只要在橫隔梁中配置一些普通的鋼筋即可，橫隔梁肋的寬度設置在300－500mm之間。

2 預應力連續箱梁設計的要點問題

2.1 抗剪問題

一是沒有對橋梁的抗剪極限強度和抗剪截面尺寸進行驗算，錯誤地用主拉應力的驗算替代。箱梁腹板尺寸主要是由抗剪極限承載能力決定的，即使主拉應力符合規范，但是在正常使用中的極限狀態下，抗剪截面尺寸也許會無法滿足規范，會導致斜裂縫。

二是通過增加腹筋的方式來滿足主拉應力和斜截面抗剪強度，沒有對抗剪截面尺寸進行驗算。雖然我們可以根據抗剪公式配置腹筋，從而使得抗剪能力得到提高，但是實際上，抗剪鋼筋的配筋率達到一定程度時就不會再對抗剪能力起到提高的作用。同時滿足截面尺寸小和斜裂縫變寬的情況下會出現斜壓破壞現象。所以應該是通過加大截面尺寸的方法以提高抗剪能力，而不是增加鋼筋。

三是設計者將預應力連續箱梁的抗彎橫向分布增大系數與抗剪橫向分布增大系數相同化，導致了腹板出現了斜裂縫。在下部使用獨柱墩，會在偏轉力的影響下出現扭轉和變形。

2.2 齒板錨后拉應力問題

通常跨徑大的預應力連續箱梁底板處設置齒板，尤其是當跨徑在40～60m之間。在這種情況下，腹板的抗剪能力會被降低，從而會使結構得到破壞。

如果想要避免這種裂縫的出現，在設計中要注意以下幾點:

(1)在相同的斷面中，不能將錨固的預應力鋼束噸位設置過大;

(2)要在錨固斷面底板設置一些壓應力儲備，盡可能地避開拉應力區設置錨固預應力鋼束;

(3)因為連接處比較薄弱，所以最好的做法是保證錨固斷面避開施工縫。

2.3 徑向力問題

如果在工程中發現部分懸澆施工的預應力連續箱梁，在合并后又出現縱向裂縫，那么徑向力會是引起這種現象的原因之一。

如果將鋼束放置在平面上并且使曲線布置，那么鋼束曲率將會向混凝土的徑向荷載傳遞，并且對圓曲線是F/R，產生的折角是Fθ，如下圖:

這種荷載會引起2個效應:一是對箱梁底板上產生內力，但這種內力可以根據框架結構計算出來;二是鋼束轉向處產生集中力，因此要根據計算結果對底板內力進行重新組合，配置適量的橫向鋼筋。計算方式為:A=。其中，θ為折角或圓曲線轉角;［σ］為鋼筋容許應力;gF為錨固力。

在設計中也可以采取以下措施來避免這種情況:一是將箱梁的底板厚度設置為超過通過底板的最大波紋管外徑的3倍;二是盡可能將鋼束布置在腹板;三是在底板配置足夠多的橫向鋼筋和防崩鋼筋;四是對合攏高差進行嚴格控制。

3 結語

綜上所述，預應力連續箱梁橋雖然已經具備了較為成熟的設計原理和施工技術，但是在實際的設計中仍存在一些問題，還需不斷地改善。

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［2］龔建燦.預應力混凝土連續箱梁橋設計與施工研究［D］.浙江大學，2007－01.

［3］趙建永.中小跨徑預應力混凝土連續箱梁設計與施工［J］.交通世界(建養.機械)，2012 －10.

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