山區PC梁橋工程設計研究

中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075

在橋梁建設過程中經常遇到地形起伏的情況，我國針對這種情況最常采用的結構是PC梁橋。PC梁橋是指預應力混凝土梁橋，該梁橋采用的材料是普通混凝土，通過給梁橋施加預應力形成PC梁橋[1]。這種結構具有強度高、抗彎性能好等特點，被廣泛應用于橋梁建設。我國PC梁橋的建設主要集中在西部地形較陡、起伏較大的地區[2]。該梁橋的廣泛應用有利于縮小東西部的發展差距，促進地域溝通。故結合我國地理環境特征分析，PC梁橋的設計具有重要的意義和價值。然而我國PC梁橋設計水平還有待提高，對于PC梁橋的認知還有待補充，為此，文章主要針對PC梁橋的設計進行研究，為我國橋梁建設提供理論依據。

1 PC梁橋的設計原則及流程

PC梁橋的組成與普通橋梁相同，可以分為上部結構、下部結構、支座系統、附屬設施。按材料分類可以分為鋼筋混凝土梁橋、預應力混凝土梁橋、鋼橋、組合梁橋[3]。

由于橋梁所處的地理環境不同，因此設計過程中的側重點也不同。山區橋梁所處的地理環境復雜，設計的重點應主要集中在下部結構，主要是橋臺和基礎的設計，需要全方位、多因素考慮。下部結構的設計會直接影響上部結構，當下部結構土質較松軟，需對土體進行相應處理時，應對上部結構進行加固，同時做好橋與路、橋與隧道的連接。

1.1 設計原則

隨著我國經濟的發展，科學發展觀的繼續深化，以及資源節約型與環境友好型社會的建立，人們的環境保護意識越來越強。在山區橋梁建設過程中應盡可能減少對原地形地貌的破壞，要因地制宜，做到公路橋梁與自然環境的和諧統一。因此，在橋梁建設過程中應遵循技術先進、安全可靠、適用耐久、經濟美觀的原則，做到保護環境與可持續發展。

1.2 設計流程

在PC梁橋的設計過程中應遵循以下流程：首先對PC梁橋進行參數確定；然后確定邊界條件建立微分方程，對橋梁進行區域劃分，分節分析；最后利用微積分原理進行計算，對問題細化求解，達到對橋梁進行單元節點分析的目的。在山區PC梁橋的設計中應注重以下內容。

（1）由于地質條件的限制，在山區PC梁橋建設過程中，應做好前期橋位的地質勘探。相比非山區梁橋，山區梁橋設計的重點在下部結構，因為下部結會影響上部結構的強度、可靠度以及橋梁整體結構。因此，在山區PC梁橋建設過程中應重視橋位的選擇。

（2）在山區PC梁橋的設計過程中應重視與自然環境以及相連構造物的協調統一。例如，設計時應注意與道路以及隧道連接，保證橋梁與道路的高程一致，從而避免出現橋頭跳車現象。要保證橋梁與隧道的連接，保證二者的協調性以及高程一致。

（3）在山區橋梁建設過程中應注重橋位與自然環境相融合，盡量采用材質輕、占地少的橋臺，減少對原有地面的開挖量，保護生態環境。

（4）山區PC梁橋多采用懸臂現澆的施工方法，由于受環境以及溫度變化的影響較大，因此要保證施工質量和精度，加強施工監控。

2 PC梁橋設計分析

2.1 方案比選

由于PC梁橋的設計過程中會受到眾多因素的影響，因此需進行方案比選。每種方案受地質條件約束越大，則對基礎要求越高，受地理環境的影響也越大。

地質條件：橋梁線位受斷層F1影響，橋梁主跨有巖溶發育；受斷層F2的影響，樁位巖石呈礫狀，巖石裂隙發育，巖體較破碎。

地理環境：文章案例橋梁線位處于地理環境較為復雜的山區，線位經過段有溝澗、水田以及地下河等，橋梁一端與隧道相接。

橋墩高度：案例橋梁的主墩高度多為60～110m，橋墩較高。

通過對以上地質條件、地理環境、橋墩高度等的綜合分析，文章選擇以主墩為空心墩的PC連續剛構橋。

2.2 橋梁總體概況

研究采用的是PC連續剛構橋，設計荷載采用公路-Ⅰ級，橋面凈寬為23.5m，設計洪水頻率為1/300，孔徑分布65m+3×120m+65m。橋梁的截面形式為單箱單室的變截面，橋梁主墩為空心墩。主墩高度分別為83m、106m、96m、60m。

2.3 建立模型

永久作用：永久作用中一期恒載為箱梁結構；二期恒載取值為65kN/m，預應力采用鋼絞線fpk=1860MPa，Ep=1.95×105MPa。

可變作用：汽車荷載采用公路-I級，溫度作用取值時體系升溫和降溫按25℃計算，主梁梯度溫差按照橋梁規范規定進行計算，升溫梯度T1為14℃、T2為5.5℃；降溫梯度T1為-7℃、T2為-2.75℃

作用組合：（1）恒載；（2）恒載+汽車荷載；（3）恒載+支座沉降+汽車荷載+升溫梯度+體系升溫；（4）恒載+支座沉降+汽車荷載+降溫梯度+體系降溫。

文章結合橋梁自身結構特點以及有限元計算軟件的特性采用《橋梁博士》軟件對上部結構和下部結構進行計算分析；用Midas軟件對橋梁進行屈曲穩定性的分析等。此次模型建立過程中梁單元共建立308個、節點331個。有限元模型如圖1所示。

圖1 PC梁橋模型圖

2.4 模型分析

（1）自振特性。通過有限元建立的模型進行橋梁的自振特性分析，前四階振型結果如表1所示。通過對橋梁前四階的自振特性進行分析可以看出，PC梁橋采用高墩結構時，因為高墩結構的柔性較大，剛度較小，所以振型主要表現在上部結構。前兩階主要是橋梁橫向和縱向的偏移，而三、四階主要出現的是扭轉。

表1 橋梁自振特性

（2）屈曲穩定性。在橋梁自身重力、橋面鋪裝荷載、預應力的作用下，對橋梁結構進行屈曲穩定分析，結果如表2所示。由表2可知，前四階的屈曲模態主要表現為高墩屈曲，這說明高墩的剛度對屈曲穩定系數的影響較大。

表2 橋梁屈曲穩定性

2.5 上部結構計算

（1）正常使用狀態抗裂驗算。通過有限元建立的模型進行橋梁在短期效應組合下的抗裂驗算，最終得出的結果如表3所示。由表3可得，PC梁橋在短期效應組合下的抗裂驗算滿足要求。同理對正常使用狀態下的應力及撓度進行驗算，最終結果顯示PC梁橋的應力和撓度均滿足要求。

表3 PC梁抗裂驗算表

（2）極限承載狀態抗剪驗算。通過對PC梁橋主梁在極限承載狀態下斜截面抗剪性能進行驗算得到以下結果：在梁橋墩頂位置的最大剪力為-20220.6kN，抗剪強度為-39704.1kN。因此斜截面抗剪強度滿足要求。

3 結論

（1）依托我國某PC梁橋進行模擬計算分析可得，PC梁橋采用高墩結構時，梁橋自振特性前兩階時主要是橋梁橫向和縱向的偏移，而三、四階時主要出現的是扭轉。在屈曲穩定性驗算時PC梁表現為高墩屈曲，說明高墩的剛度對屈曲穩定系數影響較大。

（2）對橋梁上部結構進行了驗算，結果顯示，PC梁橋在正常使用狀態下的抗裂性能，以及在極限承載狀態下的斜截面抗剪性能均滿足要求。

綜上所述，文章對實際工程進行模擬分析以及上部結構計算，最終計算結果表明該梁橋設計合理。