探析大跨徑預應力混凝土橋梁設計

鄭沖

（中億通達設計咨詢集團有限公司重慶分公司，重慶 400000）

0 引言

與普通的混凝土橋梁相比，大跨度預應力混凝土橋梁的優勢較為明顯，比如橋梁的整體耐久性更高，對鋼材的消耗量少，采用拼裝式施工方法，提高施工效率與質量。在開展設計工作期間，應加強對設計參數、設計方法的選取，并考慮到環境因素、材料特性對橋梁結構的影響，不斷提高大跨度預應力混凝土橋梁的設計水平，確保橋梁工程安全使用。

1 設計的影響因素與方法分析

1.1 影響因素

在開展大跨徑預應力混凝土橋梁工程設計工作時，首先要考慮整體結構、參數以及施工現場的環境條件對橋梁設計的影響。其次，要考慮橋梁細部結構的設計優化，比如縮縫的設計、支座設計、上部結構設計以及基礎設計、施工流程設計等等，以便于后續施工工作的有序開展。另外，結合大跨度預應力混凝土橋梁的實際特點，選用合理的變截面結構形式，同時把控跨徑布置、截面尺寸等主要參數，見表1。

表1 變截形式與尺寸參數

1.2 設計方法與步驟

具體設計過程中，常用到的設計方法為有限元模擬計算與經驗法相結合的方式。①對于經驗法而言，主要是在橋梁跨徑已經確定的情況下，通過對以往橋梁工程的設計案例進行分析，進一步擬定橋梁結構具體尺寸，并設計預應力配束；②結合有限元軟件建立橋梁模型，開展模擬計算，驗證橋梁結構的承載力是否能夠滿足規范要求。就當前大跨徑預應力混凝土橋梁的設計工作而言，主要按照如下設計步驟進行：首先，結合施工現場條件以及橋位場地情況，合理確定橋梁工程的平面線形以及跨徑布置等基本參數；其次，根據以往的設計經驗，初步擬定各個結構面的尺寸，并明確預應力配束情況；此外，借助有限元軟件，建立相應的模擬與計算模型，對橋梁結構的承載力進行計算，并與規范要求比對，對橋梁結構、尺寸、預應力鋼束進行調整。上述工作結束后，重新開展建模、計算、驗證，直至橋梁的承載力能滿足規范要求。最后，結合計算結果對橋梁結構的預應力配束以及尺寸情況進行優化與調整，使橋梁結構的受力更科學合理。

2 大跨徑預應力混凝土橋梁的設計要點研究

2.1 合理開展模擬計算與參數預設

通過合理預設設計參數，嚴格進行模擬計算，能夠有效模擬橋梁實際受力狀況，進而提高橋梁設計工作的合理性與安全性。具體設計工作中，應注重以下幾點要求：①對于結構尺寸、混凝土類型及其徐變特性、普通鋼筋類型及其性能要結合橋梁工程實際情況進行優化設計，合理選擇預應力鋼筋的材料、線形、張拉方式等參數，同時還要結合施工技術與流程，對橋梁工程施工的全過程作出模擬；②利用有限元軟件，對橋梁施工進度進行模擬。常用的進度控制方法有兩種：正裝以及倒裝分析法。考慮到橋梁的跨度相對較大，模擬計算期間應采用正裝分析法進行施工進度預測。需要注意的是，為提高預測結果的精確性，要確保準確設定橋梁結構尺寸以及材料特性等參數。同時，要精確計算預應力損失，合理布置預應力鋼束線形，以確定懸臂施工期間立模標高。這一過程中，要考慮預拱度、節段尺寸以及所用混凝土的收縮特性等眾多因素；③結合正裝分析得到的數據，并根據預應力數值，對橋梁預應力進行檢測。

2.2 梁錨固橫梁設計方法

預應力混凝土橋梁錨固橫梁配筋設計方法，國內外均采用有限元實體單元分析與拉壓桿法相結合算法。在對錨固橫梁配筋設計方法進行分析時，可以直接采用ANSYS應力分析。體外預應力錨固橫梁的形狀、位置變化等都不相同，其配筋設計可以采用兩種形式：①橫梁內側配筋設計；②局部承壓設計。在相應的規范中對局部承壓設計有明確的規定，在設計時，可以直接使用規范方法。在體外預應力混凝土橋梁錨固橫梁配筋設計中，對橫梁內側受拉鋼筋的設計方法主要采用拉壓桿模型法。首先進行結構的形狀、支撐以及荷載等方面實現整體確定。為了方便分析，我們通常將立體的空間三維結構劃分為不同的平面進行獨立分析。對結構的整體的靜力進行分析，由此確定結構支撐反力。對結構進行劃分，劃分依據為圣維南原理，主要分為B區和D區。B區能夠建立起標準桁架模型，可以直接采用拉壓桿模型法。D區則需要結合自身實際情況分別建立拉壓桿模型對其進行設計。

2.3 加強防震設計

作為大跨徑預應力混凝土橋梁設計的重要組成內容，加強橋梁結構抗震設計不僅有助于增強橋梁工程的抗震效果，同時還能防止橋梁結構由于共振而產生的破壞。具體設計工作中，應重點關注以下問題：①要結合施工區域的抗震設防等級、地質環境狀況等因素，合理選取橋形、孔性、橋位等參數。尤其是在地震多發地帶，應選取性能優異的橋梁結構；②應當優化橋梁工程的整體構造布局，提高橋梁結構設計的合理性，改善橋梁結構的剛度條件，盡可能降低墩柱結構的延性；③在開展上部結構的設計工作時，盡可能采用連續結構，提高結構的整體抗震性能，為車輛提供舒適的駕駛環境。如果采用簡支結構，應當加強對伸縮縫數量的控制，減少伸縮縫的數量。同時，還要對橋梁結構底部的鋼板進行牢固的焊接，確保支座具有足夠的強度。

2.4 細部構造設計

跨中梁的高度應該應用1/40～1/50的主跨跨徑，小的跨徑取大值；根部梁的高度應該應用主跨徑的1/16～1/18，變、中跨應該在0.54～0.58之間比較適宜。底板的最小的厚度為320mm，頂板的最小的厚度為280mm，腹板的最小的厚度為400mm，懸臂端的最小的厚度為200mm。主梁的箱寬最好不要大于橋面全寬的1/2，而且箱梁的長邊和短邊的比例不要大于4，否則就要設計成為多箱室。箱梁的懸臂的長度不應該大于4m，否則就應該考慮活載在懸臂端部引起的鍋底效應。箱梁的底板的下緣順橋方向一定要在一條平順的曲線上，變跨的現澆段和中跨的合攏段與懸臂端的最后一個梁端間不應該出現相對的轉角。對于主跨跨徑小于150mm的可以應用二次拋物線的設置，大于150mm的可以應用1.5～1.8次的拋物線的設置。

2.5 鋼筋混凝土設計

一方面，在進行墩身結構的鋼筋設計時，主鋼筋宜使用墩粗直螺紋連接法（見圖1）進行連接，這樣一來不僅能加快施工速度，同時還能減少高空作業量，降低施工強度，提高施工過程的安全狀況。對于主筋垂直度的控制，宜使用定位架。另一方面，在進行混凝土結構設計時，首先要合理選取低水化熱、高強度的混凝土材料，降低橋梁結構的裂縫、變形等問題。此外，在進行索塔工程施工設計期間，由于選取的索塔類型不同，使施工技術的設計存在較大的差異。如果所選用的索塔為混凝土形式，那么施工設計期間應采用逐段施工的方式，并合理設置支撐點，確保塔柱結構不會發生變形問題，提高塔柱的整體性、安全性。對于索塔橫梁結構而言，在進行設計施工工作時，也應做好相應的支撐，確保索塔的穩定效果。如果選用鋼形式索塔，那么應加強鋼結構設計。這一過程中，應準確計算鋼結構的受力情況，并結合計算結果在工廠內完成鋼索塔的預制，之后運輸到施工現場完成拼裝。另外，對于橋梁基礎工程的設計與施工，應重點加強對承臺結構的設計，避免水流對承臺結構的施工質量產生不利影響。最后，橋梁上部結構設計期間，要結合大跨徑橋梁的預應力狀況，適當添加鋼管支架以起到輔助受力作用。

圖1 墩粗直螺紋連接法

3 結語

本文對大跨徑預應力混凝土橋梁的影響因素、設計方法、設計要點等內容做出研究。隨著橋梁跨徑的不斷增大，設計、施工工作的難度逐步增加。在開展設計工作期間，要嚴格按照設計流程與方法做好參數設定，不斷優化設計方案，提高抗震設計水平。需要注意的是，設計期間要加強對溫度的控制，積極優化設計細節，提高橋梁設計的安全性與耐久性。