談預應力混凝土橋梁的概念設計

劉經偉　汪　磊

(云南省交通規劃設計研究院，云南昆明　650011)

?

談預應力混凝土橋梁的概念設計

劉經偉汪磊

(云南省交通規劃設計研究院，云南昆明650011)

摘要:針對近些年來我國交通事業向海外進一步發展的現狀，按照歐洲設計習慣，從主梁形式、橋跨布置、預應力等環節，提取了預應力混凝土橋梁概念設計的過程和內容，為國內外預應力混凝土橋梁的設計提供參考。

關鍵詞:橋梁，混凝土箱梁，跨徑，預應力

0　引言

橋型選擇、橋跨布置、總方案確定等受到多種因素的影響。預應力混凝土橋梁跨徑從25 m的單跨橋到跨徑大于400 m的斜拉橋，其結構形式多種多樣。而小跨徑的橋梁，鋼筋混凝土橋經濟性更好;跨徑大于400 m的橋梁，鋼結構或鋼—混組合結構斜拉橋因其自身重量較輕而廣泛采用。跨徑在25 m～40 m之間的橋采用預應力混凝土橋梁，在經濟性和美觀性上更勝一籌。圖1為不同混凝土橋梁的典型跨徑的一般布置原則。

圖1　預應力混凝土主梁通常的跨徑布置（單位：m）

1　橋面類型

橋梁結構中預應力混凝土結構運用極為常見。主梁通過先張法或者后張法預應力鋼束制成預應力混凝土箱梁或者板梁。制作形式為現澆或預制，安裝方式為吊裝或頂推。主梁最終可是簡支結構、連續跨結構以及斜拉結構形式。

一些小跨徑橋梁，有時進行現場澆筑混凝土空心板，一方面可以減輕結構自重、斷面面積，另一方面則發揮預應力的作用效果。但小跨徑的橋梁結構通常采用預制梁更為經濟，因此，空心板橋的應用不多。對于中、小跨徑的橋梁，通常采用現澆混凝土橋面板的預制板，特別在預制設備的位置，可以極大地縮減造價。從成本的角度分析，跨徑達30 m的預制梁要優于現澆鋼混結構和鋼結構。通過先張法和后張法施工制作“I”形、“T”形和“U”形等各種類型的梁結構。對于多跨長線的高架橋梁，因為預制梁周期制作快的特點而節約工程成本被經常采用。

預應力混凝土箱梁通常運用于大、中跨徑橋梁，分為單室和多室類型。由于箱梁結構具有較好的抗彎剛度和幾何條件等特點在曲線橋梁中被廣泛采用。這種主梁結構可以有多種方案和施工技術的選擇，因此其適用性較廣，不受場地條件的限制。

橋梁運營后需要經常進行檢測和養護，為了保證作業人員能夠方便進入箱梁內部，因此箱梁的高度不應小于1．8 m，從施工的角度考慮，箱梁的高度要求大于1．2 m。橋梁跨徑小于35 m，通常采用預制梁、現澆的鋼混或者鋼結構梁。

跨徑50 m左右的現澆混凝土箱梁通常需安裝支架結構或者頂推到位。超過50 m跨徑的橋梁，則采用移動模架進行平衡懸臂現澆混凝土。圖2為移動模架施工圖。

圖2　現澆箱梁施工

在預制單室或者雙室混凝土箱梁時，可按照階段或者整跨長度的形式進行預制。為了保證各節段箱梁在預制、運輸和安裝中節約造價成本，通常需確定一個長度作為典型節段長度。由于橋梁整跨結構的預制構件自重很大，需要通過大型的吊裝和運輸設備，這種方法給長線高架橋帶來了高效率和低成本費用。

通常由于工期的限制和場地的干擾，可以大量推廣使用帶企口接縫的預制梁結構，如圖3所示。出于對預制場地的建設、租賃大型的運輸和吊裝機械的成本考慮，通常規定大于2 km的橋梁才使用這種方法來反映此方法的優勢。

圖3　預制及架設節段箱梁

當遇到主梁下面地形或者環境的限制難以選取合適的施工方案時，箱梁的施工使用頂推法較為合適。主梁可以在橋臺后面分段預制后再逐一頂推就位。這種頂推施工的設計需要消耗更多的鋼筋、預應力筋以及混凝土材料，但是相對于其他施工方法，該方法可以節省許多設備和臨時設施所產生的成本投資。

一些超大跨徑的混凝土箱梁，需要增大梁高。目前，平衡懸臂現澆箱梁達到的跨徑有250 m。對于這種大跨徑的箱梁橋，梁高可以超過12 m，橋梁的美觀受到了嚴重的影響。而斜拉橋是一種主梁相對較薄的橋梁類型。通過平衡懸臂法澆筑施工形成的預應力混凝土斜拉橋的跨徑可達到500 m。選擇斜拉橋結構原因不僅因為凈空和美觀的要求，而且相對于其他結構形式的橋梁，跨徑在200 m以下的橋梁，斜拉橋造價更大。從經濟和成本的角度出發，對于跨徑大于500 m的橋梁，通常采用鋼結構或者鋼混結構的雙塔式斜拉橋。表1列舉了各類常見主梁形式及其優劣

表1　各類常見主梁形式及其優劣對比

2　主梁布置

由于地形條件為確定環境，設計師通常針對特定地形考慮多種橋型。考慮到除地形以外的其他因素時，選擇范圍會因此減小。圖4為對于不同跨徑的主梁形式，給出了選擇單跨預應力混凝土橋梁一般采用的橋型范圍。當橋梁跨越鐵路線時，通常使用預制梁更合理，由于預制梁可以避免很多施工過程風險和減少對鐵路運輸產生影響。同時，對于跨越小型河流的橋梁，預制梁既可減少施工支架也可避免對河流流域的侵害。對于跨徑較大的橋梁，箱梁的選擇要更有優勢。在跨越路線和流域等障礙物的大跨徑箱梁橋，通常采用頂推法進行施工或者主梁進行分段預制再進行拼裝。

圖4　單跨梁的選擇路徑

由于美觀和經濟等原則，一些多跨橋梁和高架橋通常其跨徑要大于30 m，主梁結構可以采用箱梁或者預制板梁。預制板梁一般適用于橋梁跨徑小于40 m，這是由于預制板梁的跨徑過大就需要采用專門的吊裝設備。當需要跨越峽谷等障礙時，頂推箱梁是一種合理的方法。圖5為一些常用主梁選擇的一般標準圖。

圖5　多跨梁的選擇路徑

在考慮主梁的結構形式和確定主梁的截面尺寸時，首先應該結合以往相似的工程項目的經驗，來選取合理的主梁形式、橫斷面尺寸和主梁混凝土的厚度。隨后再依據設計標準、不同的設計荷載和現場的各環境因素開展詳細設計和方案優化。

橋梁的美觀性、耐久性以及實施可行性都會對橋梁的主梁形式和其他設計環節產生一定影響。橋梁的建造不僅僅要滿足美學要求還要與周邊環境相互和諧。耐久性通常決定橋梁細部結構的設計，但一般不影響橋梁的總體結構。橋梁建設的地形和地質條件極為復雜，施工難度極大，這種情況下施工能力成為了橋梁結構類型的主導因素。

3　聯結與跨徑

對于總長度小于60 m的橋梁，通常將主梁與墩臺連接成一體而形成連續橋面。這種結構形式具有減少支座和伸縮縫數量和避免這些因素引起的養護難的優點。對于橋梁長度較長的結構，需要根據實際條件盡量的加大主梁的連續長度。預應力混凝土箱梁可建造的連續橋長1．7 km，斜拉橋的伸縮縫之間的混凝土結構修建的連續長度可達800 m。位于主梁的伸縮縫通常設置在有支撐結構而定橋臺或墩臺處，同時需要考慮伸縮縫等結構的檢查通道能否達到檢修點。要盡可能的避免采用半伸縮縫連接，當有足夠的工作場地可以對支座和伸縮縫進行檢查、維護及更換，可適當考慮。為了防止因材料徐變和預應力損失引起的結構變形，應盡量不設半伸縮縫或鉸接等。

橋梁結構的類型和結構剛度直接決定了主梁與墩臺的支座設置。頂推法施工箱梁結構應該設置支座使頂推順利進行;預制節段的箱梁結構通過設置支座來使安裝簡便;就地澆筑的混凝土板梁可加設支座，當就地澆筑的混凝土梁板橋上部結構變位對下部結構產生的內力較小時，可設置支座，并與下部結構結合為整體。

在平曲線上進行橋梁設計時要特別重視聯接問題。由于曲梁總是向著有效的“固定點”縮短或伸長，當導向支座設置成平行于主梁的朝向時，支座內會引起不同水平向的荷載。因而很多設計人員更傾向于將導向支座的方向設計成與固定點方向相同。但對于一些曲線較長的橋和小半徑的曲線橋梁，通常會引起一些關于伸縮縫橫向位移的問題。

通常要求支座橫向偏置于在結構中心線或者是將主梁與下部結構連成一起來避免曲線橋對主梁結構傾覆和扭轉的影響。地形等條件影響橋跨的布置，所以需要盡量的使選取的上部結構形式與橋跨布置條件相適應。

采用長度相等的預制梁可以達到施工設備的標準化;當為連續混凝土箱梁結構時，為了平衡正負彎矩，橋墩的布置應遵循邊跨跨徑在相鄰內跨跨徑的70%左右。當主梁結構使用平衡懸臂澆筑施工，為了避免邊墩懸臂的不平衡彎矩，應減少邊跨的長度到相鄰內跨跨徑的60%左右。當連續梁的邊跨跨徑小于上述要求的大小，就會使邊支座上產生拉應力，此時就需要采取一定的措施來抵抗這種拉力。

公路、鐵路及通航河流的凈空要求決定了橋梁的最小跨徑及高度。高跨比為1∶3的橋梁在視覺上能夠達到最佳的平衡感，對于一些特別要求的橋墩來講是很難保證的。對于較短長度的橋梁來說，跨數較少，但為了使得跨間平衡及視覺美觀，通常設置成3跨或5跨。

4　預應力體系

以往設計、施工以及耐久性方面是體內外后張預應力鋼束經常遇到的問題。通過對問題的總結和實踐，這類問題在設計和施工中逐漸形成了一種能夠熟練使用兩種預應力體系的基礎。在預應力設計中，設計人員需要選擇體內或者體外鋼束或者同時采用兩種形式的鋼束。通過對比兩種形式的鋼束，體外鋼束的優點如下:

1)為了簡便梁段的澆筑施工，可以在腹板和翼板內不設置預應力管道。這樣有利于模板和架立鋼筋的布置及混凝土的養生。2)腹板的厚度因取消預應力管道變得更薄，減輕了結構的自重和減少了工程的成本。3)預制節段結構，當該地區的條件允許，可以采用干接縫，極大地簡化了主梁的安裝，加速了建造的速度，有利于降低施工成本。4)體外鋼束可以方便達到預應力管道的任何位置，提高了安裝的效率。預應力鋼束不會發生堵塞管道的現象，施工順暢。5)鋼束的布置極為簡單。6)由于可以直接接觸管道，因此可以保證灌漿的順利，并且不會產生漏漿和堵塞等問題。7)避免高強鋼絞線因摩擦產生預應力損失。8)施工和后期的養護及維修簡便。9)鋼束的后期更換較為容易。10)根據后期的需求，可以增設附加鋼束來進行主梁升級和提高承載力。

但體外鋼束的缺點如下:

1)體外鋼束通常使用HDPE管材進行防護，管道需要填蠟或者灌水泥漿，對于前期來說，材料的成本投入較大。2)通過增加預應力材料的數量來減小控制性斷面鋼索的偏心距，不利于成本控制。3)在極限抗彎條件下，通過增加預應力來承受抗彎力矩。4)基本是依靠錨具來維持結構的整體預應力，一旦錨具產生故障，整個鋼索預應力就會失效。5)由于錨固點、轉向塊存在較大的集中力，因而通常錨固于主梁結構內。6)當鋼索的自由長度過長時，鋼索會容易引起震動，隨之引發疲勞破壞和材料腐蝕的現象。7)外露的鋼索容易遭受外界事故而產生損壞。

體內和體外鋼束各有各自的優點，選擇時應綜合考慮現場實際情況和借鑒以往經驗，也可以同時采用，以達到取長補短作用，發揮各自優勢。

5　結語

由于國際關系的進一步合作和企業自身的發展，交通建設逐步向海外擴展，承擔著越來越多的國外橋梁設計任務，因此需要了解國外橋梁設計的內容和過程，本文針對預應力混凝土橋梁，按照歐洲設計習慣提取了主梁形式、橋跨布置、預應力等概念設計的過程和內容，希望這些內容的總結能夠給國內外預應力混凝土橋梁的設計提供借鑒。

參考文獻:

［1］Nigel R．Hewson．預應力混凝土橋梁設計與施工［Z］．Thomas Telford Ltd，2003．

［2］BS5400，鋼、混凝土和結合梁橋——第四部分:混凝土橋梁設計規范［S］．

［3］AASHTO，公路橋梁標準規范［S］．

［4］蒙昊．預應力混凝土連續剛構橋的概念設計［D］．成都:西南交通大學碩士論文，2013．

［5］梁曉飛．體外預應力混凝土橋梁設計理論與方法研究［D］．西安:長安大學碩士論文，2005．

中圖分類號:U442

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0190-03

收稿日期:2016-04-02

作者簡介:劉經偉(1984-)，男，工程師;汪磊(1978-)，男，高級工程師對比。

Discussion on the concept design of prestressed concrete bridge

Liu JingweiWang Lei
(Yunnan Academy of Traffic Planning＆Design，Kunming 650011，China)

Abstract:In light of overseas traffic industry development status，the paper collects prestressed concrete bridge concept design process and contents from aspects of major beam forms，bridge span distribution and prestress according to European design habits，which has provided some guidance for prestressed concrete bridge design at home and abroad．

Key words:bridge，concrete box girder，span，prestress