預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

魏汝海

摘 ? ?要：近年來，我國建筑科技迅猛發(fā)展，而在橋梁建設(shè)技術(shù)中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁技術(shù)應(yīng)用也更為廣泛，此類結(jié)構(gòu)具有整體性好、抗扭能力強(qiáng)，易于施工等優(yōu)勢(shì)。但在設(shè)計(jì)過程中，其也存在一些技術(shù)上的不足和問題亟待解決，否則將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全、耐久性等造成影響。為此，必須重視預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。只有保證設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性，才能最大限度提高橋梁質(zhì)量，保證橋梁使用性能，延長橋梁使用壽命。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱;橋梁結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

1 ?引言

在橋梁設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)面對(duì)如何選擇各構(gòu)件的斷面尺寸等問題。如何將各構(gòu)件斷面尺寸擬定得更合適，如何修正斷面的初始尺寸使其具有足夠的承載能力，又能節(jié)省材料用量，目前主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)及參考已有的設(shè)計(jì)實(shí)例。一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)修改后的設(shè)計(jì)是否最優(yōu)，缺乏理論上的依據(jù)，把結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，它能夠給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)性賦予明確的科學(xué)根據(jù)。

2 ?預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

簡(jiǎn)支梁自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其跨徑通常在30m以內(nèi)，如果跨徑過大，一方面技術(shù)難度較高，另一方面也不經(jīng)濟(jì)。就目前而言，在國內(nèi)簡(jiǎn)支梁有著重要地位的空心板，其跨徑不超過20m，若跨徑必須超過20m，則以T梁、連續(xù)箱梁或小箱梁為主。其中T梁和小箱梁通常為先簡(jiǎn)支后連續(xù)，存在難以適應(yīng)線型、需要體系轉(zhuǎn)換及梁片數(shù)量過多等問題。但預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁采用整體澆筑，不僅跨越能力較大、受力清楚合理，而且適應(yīng)線型能力強(qiáng)，造型良好，得到越來越廣泛的應(yīng)用。尤其是在經(jīng)濟(jì)水平日益提高的情況下，橋梁設(shè)計(jì)重心逐漸由經(jīng)濟(jì)性上轉(zhuǎn)向保證美觀和舒適上，這使得預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁在諸多設(shè)計(jì)方案中脫穎而出，成為首選方案。城市橋梁、對(duì)美觀有著較高要求的公路橋梁、曲線半徑相對(duì)較小的橋梁，都建議優(yōu)先考慮預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。

3 ?預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)常量選定的基本原則

3.1 ?合理布置橋跨

由于預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)連續(xù)變形的特點(diǎn)，邊跨與中跨之比是否合適將直接影響結(jié)構(gòu)的受力合理性。若邊跨與中跨之比太大，邊跨結(jié)構(gòu)的縱向剛度偏小，與中跨結(jié)構(gòu)的剛度不匹配，在恒載與活載作用下，邊跨會(huì)出現(xiàn)較大的主拉應(yīng)力。同時(shí)，若邊跨與中跨之比過小，會(huì)使中跨跨中彎矩過大，而邊跨支點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)向上的負(fù)反力。一般情況下，等高度預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁邊跨與中跨之比可采用0.6～0.8，條件受限時(shí)也可采用等跨徑;變高度預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁邊跨與中跨之比可采用0.55～0.6。

3.2 ?腹板、頂板及底板厚度

（1）腹板。腹板的最小厚度首先要滿足構(gòu)造需要，并最終取決于受力要求。美國和歐洲規(guī)范也只給出預(yù)應(yīng)力管道間的最小凈距、保護(hù)層厚度，未明確腹板的最小厚度。因此，對(duì)于中等以上跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，隨著跨徑的不同、構(gòu)造要求和受力需要，跨中腹板的厚度一般為40cm～60cm，支點(diǎn)腹板厚度一般為60cm～80cm。

（2）頂板與底板。對(duì)于頂板，其厚度既要滿足橋面橫向彎矩的要求又要滿足布置縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的要求。腹板間距在3.5～7之間時(shí)，頂板厚度一般為20cm～30cm。對(duì)于底板， 其厚度需滿足縱向抗彎及板內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋的要求。在等高度預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁中，底板厚度一般為20cm～25cm;在變高度預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁中，其厚度隨負(fù)彎矩的增大而從跨中至支點(diǎn)逐漸加厚，支點(diǎn)底板厚度一般為支點(diǎn)梁高的1/10～1/12;跨中底板厚度一般為25cm～30cm。

3.3 ?懸臂板長度與厚度

懸臂板長度和腹板間距是調(diào)節(jié)橋面板彎矩的主要手段。懸臂板長度一般為2.0cm～4.5m，懸臂端部厚度一般為16cm～20cm，懸臂根部厚度與懸臂長度相適應(yīng)，一般為40cm～60cm。

3.4 ?橫隔梁的配置

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)中橫隔梁的基本作用是增加截面的橫向剛度，限制畸變應(yīng)力。由于箱梁截面具有很大的抗扭剛度，所以目前很多國家認(rèn)為可減少或不設(shè)置中間橫隔板，而僅在支點(diǎn)處設(shè)置橫隔梁以利于減小支點(diǎn)附近的主拉應(yīng)力。因此，一般在箱梁每個(gè)支點(diǎn)部位設(shè)置橫隔梁，若為彎箱梁，當(dāng)內(nèi)半徑在240m以內(nèi)時(shí)，需進(jìn)行跨間橫隔板的設(shè)置，它的間距需通過結(jié)構(gòu)分析而定。位于邊支點(diǎn)上的橫隔梁，其厚度在0.8m～1.2m的范圍內(nèi)取值，而位于中支點(diǎn)的橫隔梁，其厚度以支座所在位置等為依據(jù)通過受力計(jì)算而定，一般要達(dá)到1.2m以上，并且還要適應(yīng)構(gòu)造方面的要求。

4 ?預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

4.1 ?預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁構(gòu)造設(shè)計(jì)要求

（1）梁高設(shè)計(jì)要求。對(duì)于等高度預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，梁高一般選用主跨跨徑1/15～1/20。對(duì)于變高度預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，支點(diǎn)梁高通常選用主跨跨徑的1/15～1/18，而跨中梁高為主跨跨徑的1/30～1/50。（2）梁底曲線設(shè)計(jì)要求。對(duì)于變高度連續(xù)箱梁，一般選取圓曲線、拋物線及折線等作為梁底曲線，但通常選用拋物線居多。采用拋物線時(shí)，需擬定多個(gè)拋物線指數(shù)，對(duì)其結(jié)構(gòu)影響程度進(jìn)行分析，梁底拋物線指數(shù)變化過程中，支點(diǎn)彎矩影響較小，基本沒有變化。受影響較大的指標(biāo)為跨中撓度、截面上緣應(yīng)力，在不斷增大拋物線指數(shù)的過程中，跨中撓度也隨之增大。通常需要經(jīng)過反復(fù)試算，最終確定最優(yōu)拋物線指數(shù)。

4.2 ?預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁鋼束配置設(shè)計(jì)

對(duì)于預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，其鋼束配置可以分為三種，即縱向、橫向與豎向。在中等跨徑中，僅配置縱向鋼束即可;在大跨徑中，需要配置縱向和豎向鋼束。豎向鋼束作用在于提高抗剪能力，改善支點(diǎn)的主應(yīng)力;橫向鋼束一般在懸臂超過2.5m的情況下配置，能提高懸臂板自身抗彎能力。為預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁進(jìn)行鋼束配置時(shí)，需要嚴(yán)格遵循以下原則：（1）避免設(shè)置反向連續(xù)束，這樣將會(huì)造成摩阻損失，使預(yù)應(yīng)力施加的效益大幅降低;（2）鋼束的布置除了要滿足受力條件，由于它處在超靜定體系，還要防止結(jié)構(gòu)次內(nèi)力產(chǎn)生;（3）對(duì)材料經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否先進(jìn)進(jìn)行考慮，這主要和橋梁結(jié)構(gòu)體系、規(guī)格尺寸及施工方法等有關(guān);（4）鋼束的配置要便于施工，不可隨意將其切斷，否則結(jié)構(gòu)中將存在很多錨具。

4.3 ?預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁普通鋼筋配置設(shè)計(jì)

結(jié)合過去的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，通常按正常使用狀態(tài)下的截面應(yīng)力來設(shè)計(jì)，根據(jù)構(gòu)造要求對(duì)普通鋼筋進(jìn)行配置即可，僅腹板的箍筋在某些時(shí)候需要按照計(jì)算進(jìn)行配置。在順橋與橫橋向的上、下緣都按照10cm～15cm的間距配置φ12～φ16鋼筋;在腹板的側(cè)面，以10cm～15cm的間距配置防裂筋;對(duì)于腹板箍筋，需根據(jù)抗剪計(jì)算結(jié)果確定數(shù)量和間距。但要注意，橫隔梁上的配筋通常較多，同時(shí)所用鋼筋的直徑還很大，在布置的過程中要注意防止和鋼束發(fā)生沖突。盡管普通鋼筋按照構(gòu)造要求進(jìn)行配置即可，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中也不可輕視，保證配筋合理性，除了能為施工提供方便，還能對(duì)結(jié)構(gòu)的受力予以改善，有效減少運(yùn)營過程中病害的發(fā)生，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

5 ?結(jié)語

綜上所述，作為橋梁中最常見的結(jié)構(gòu)類型之一，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁具有良好穩(wěn)定性、承載力較大、不會(huì)產(chǎn)生較大變形量，同時(shí)其還具備極強(qiáng)的抗震性能。于橋梁設(shè)計(jì)而言，為提高結(jié)構(gòu)整體受力，確保結(jié)構(gòu)安全，必須重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并不斷的進(jìn)行完善和更新。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對(duì)多方面條件綜合考慮，只有保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，才能提高橋梁的承載能力和使用性能，從而延長橋梁的使用壽命。

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