預應力混凝土連續箱梁橋梁結構設計分析

沙 嵩

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

預應力混凝土連續箱梁以其自身具備的諸多特點，在橋梁工程項目建設中得到廣泛應用。為確保此類橋梁的結構安全性和穩定性，并進一步延長使用年限，應當對結構加以合理設計。具體設計時，應當對各方面因素加以充分考慮，并選擇適宜的計算方法，確保設計質量。

1 工程概況

某公路橋梁工程項目為互通立體式交叉橋，一期工程主要是三座匝道橋建設，其中A匝道橋的上部結構為預應力混凝土連續箱梁，下部為柱式墩，基礎為鉆孔灌注樁基礎。工程所在地為大陸性季風氣候區，春季風大、夏季多雨，最大風速為20m/s。由于匝道橋的質量與設計密切相關，故此必須保證結構設計的科學性與合理性。

2 預應力混凝土連續箱梁橋梁結構設計

2.1 設計計算的主要內容

在預應力混凝土連續箱梁的設計過程中，主要的計算內容包括以下方面：結構內力和次內力、內力組合、預應力鋼束的計算、強度及應力等。計算完畢后，要對以下方面進行驗算：承載力極限狀態正截面以及斜截面的強度、投用后混凝土和鋼束的應力等。

2.2 計算方法與過程

2.2.1 結構內力

預應力混凝土連續箱梁的結構內力由兩個部分組成，分別為恒載內力和活載內力，具體的計算方法如下：

（1）在預應力混凝土連續箱梁結構中，內力計算結果對施工方法的選擇具有指導作用，如滿堂架和懸臂澆筑兩種施工方案的恒載內力不同。當內力計算結果存在偏差時，會影響到后續施工方法的選擇，容易引起工程質量問題。所以要保證恒載內力的計算結果正確無誤?？梢詫攘εc施工方法緊密聯系起來，確保得出的內力結果能夠為施工提供指導。與懸臂澆筑施工法相比，滿堂架施工法的應用優勢更加明顯，在本次內力計算中，以滿堂架施工法為依托，建造連續箱梁時，不需要進行結構體系轉換，可一次性完成。按照連續箱梁的結構力學特征對恒載內力進行計算。

（2）在計算預應力混凝土連續箱梁結構的活載內力時，需要明確該內力的形成原因，它是橋梁投入使用后，在可變荷載的作用下產生的結構內力。橋梁投用必須在建成之后，即整個結構已經形成的連續箱梁，此時計算活載內力無需考慮施工方法，計算圖式更加簡單。預應力混凝土連續箱梁歸屬于超靜定結構的范疇，將影響線作為活載內力計算的基礎，通過結構力學的方法能夠準確計算出影響線，具體的計算方法如下：對預應力混凝土連續箱梁結構中的主梁或是主肋的荷載橫向分布系數加以計算，以最不利的分布系數為依據，對內力影響線進行確定；用荷載與最不利橫向內力分布系數相乘，然后在箱梁縱向最不利的位置處對得到的荷載進行加載，得到的結果即活載內力，包含一個正值和一個負值。

2.2.2 次內力計算

（1）預應力混凝土連續箱梁作為超靜定結構，在其上施加預應力的過程中，會引起梁體變形，而支座會對變形產生約束，支座上便可能產生出次反力，受到該反力的作用，預應力混凝土連續箱梁結構中便會產生次內力。通過結構力學中的力法可以計算出連續箱梁的次內力。對連續箱梁的次內力進行計算時，應當充分考慮預加力所引起的次內力。

（2）計算預應力混凝土連續箱梁徐變收縮產生的次內力時，要先明確徐變收縮的特點及其對箱梁的影響。徐變收縮是混凝土所產生的現象，當應力處于不變狀態時，在荷載作用下，應變持續增長會形成徐變；混凝土體積縮小即為收縮，徐變收縮會導致混凝土變形，基本上都是出現在橋梁建成投用階段，并且會長期持續發生，容易導致內力重新分布，對預應力混凝土連續箱梁的穩定性和安全性造成不利影響，具體體現如下：連續箱梁中關鍵的結構配件，如預應力混凝土、鋼筋混凝土等，隨著時間推移產生徐變收縮，在配筋的約束下，內力可能會出現重新分布的狀況；預制箱梁或是現澆箱梁在混凝土徐變收縮作用下，會引起內力重新分布。

（3）預應力混凝土連續箱梁以混凝土作為主要材料，當溫度發生變化時，會對混凝土產生一定的影響，所以需要計算溫度變化引起的次內力。計算前，有必要明確溫度對連續箱梁的影響，具體如下：橋梁采用的材料為鋼筋和混凝土，由此使橋梁具備熱脹冷縮的屬性，暴露在大氣環境中的橋梁不可避免會受到溫度變化的影響，即溫差對混凝土結構的影響。年溫差會引起連續箱梁內溫度次應力，而局部溫差的影響體現在水化熱上。現行公路橋梁規范指出，橋面板在日照作用下產生的溫度變化與腹板兩側的溫差并不是很大，計算溫度應力時，不需要考慮該溫差的影響。

2.3 具體算例分析

2.3.1 連續箱梁設計資料

A匝道橋共有兩聯，跨徑為2×（3×26）m，荷載等級為公路Ⅰ級，橋面行車道的寬度為7.0 m，橋梁兩側護欄底座的寬度均為50cm，混凝土的強度等級為C50，為高強度混凝土。

2.3.2 箱梁橫斷面布設

本工程中，A匝道橋的橫斷面布設情況如圖1所示。

圖1 A匝道橋橫斷面布設情況示意圖

A匝道橋跨中位置處的頂板、底板、腹板的厚度分別為25cm、22cm和40cm；支點位置處的頂板、底板及腹板厚度分別為35cm、32cm和60cm。鋪裝層位于主梁頂部，厚度為8.0 cm。

2.3.3 主梁荷載分布系數的計算

（1）主梁的荷載分布系數的計算過程中，需要下劃分梁肋。本工程中預應力混凝土連續箱梁橋的橫斷面按照單箱單室進行設計，劃分為兩片主梁，按中心線對各片的頂底板進行劃分。

（2）為使計算過程得以簡化，采用如下計算方法：預應力混凝土連續箱梁結構支點位置處的橫向荷載分布系數可通過杠桿法計算，計算過程中，不需要考慮箱梁的抗扭影響。利用修正剛性橫梁法計算箱梁跨中橫向荷載分布系數，計算時，要充分考慮抗扭的影響?？缰袡M向荷載分布系數計算方法在連續箱梁中應用時，要轉換剛度，具體的換算系數如下：邊跨的抗彎剛度換算系數為1.429，中跨為1.818。主梁支點和跨中界面的抗彎慣性距如表1所示。

表1 主梁支點與跨中截面抗彎慣性矩

（3）在支點位置處對兩片梁進行分割之后，梁間距為3.0 m，對主梁荷載橫向分布的影響線及車列布置情況如圖2所示。

圖2 荷載橫向分布影響及車列布置示意圖

依據相關計算公式，帶入具體數值，可計算出橫向分布系數為1.026 ；單片梁汽車荷載橫向分布系數為1.033 。據此可計算出邊跨跨中和中跨跨中的荷載橫向分布系數，分別為2.052 和2.065 。

2.4 有限元模擬

利用有限元模擬的方法，對預應力混凝土連續箱梁結構設計的合理性進行分析，按照實際布設情況，對橋面系進行單元劃分，共分為87個單元和88個節點。一期恒載的計算結果為114.933 kN/m2，二期恒載的計算結果為23.88 kN/m2。本工程中，活載內力等級按照公路Ⅰ級進行計算，采用的是荷載橫向分布系數，依據現行JTG D60規范標準的規定要求，以車輛荷載對連續箱梁結構進行計算。構成車輛荷載的均布和集中荷載分別為10.5 kN/m2和264kN。在連續箱梁上，可按照集中荷載移動時的情況，繪制出各個節點的影響線，據此對最不利位置處產生的內力加以計算。通過正截面強度驗算后，得出如下結果：邊跨跨中的承載力設計值富余量最小，與連續箱梁的結構設計要求相符；法相壓應力為9.7 MPa，符合結構設計要求；對該橋梁投入使用后的混凝土應力進行驗算，計算結果如下：極限壓應力為16.2 MPa，在標準組合條件下的最大法向壓應力為9.7 MPa，可以滿足要求；對該橋梁使用階段的鋼束進行驗算，在鋼束作用下產生的梁體內力如圖3所示，具體的計算結果如下：極限拉應力為1209MPa，鋼束在標準組合條件下的最大拉應力為1181MPa，小于極限拉應力，滿足要求。

圖3 預應力鋼束作用下的梁體內力分布示意圖

3 結束語

綜上所述，預應力混凝土連續箱梁結構設計是一項極為復雜的工作，對設計人員的專業水平要求較高。為達到預期中的效果，要結合工程實際，選擇適宜的計算方法，確保計算結果的準確性，通過有限元模擬，對計算過程進行驗證，為結構設計提供支撐。未來一段時期，要加大對連續箱梁橋結構設計方面的研究力度，對設計和計算方法進行改進，使其逐步完善，更好地為橋梁設計服務。