簡支梁橋設計要點分析

繆國平

（江西贛北公路勘察設計院，江西 九江 332000）

0 引言

對于簡支橋梁而言，它屬于一種靜定結構，簡支橋梁的受力模式是通過相鄰橋跨實現單獨受力的，同時此類橋梁支座變位橋梁產生的受力作用比較小，加上簡支橋梁能在各種地質區域適用，故而在橋梁工程建設領域中得到應用。但是在設計的過程中由于簡支橋梁結構對于設計參數要求非常高，故而需要明確簡支橋梁設計要點，從而給橋梁項目建設奠定基礎。

1 簡支橋梁主要結構

1.1 橋梁上部結構

簡支梁的上部結構一般是橋跨結構，其目的是跨越山川、河流，保持車輛正常通行，同時承受上部車輛作用荷載，并將荷載傳輸到橋梁下部結構上。因此，提高簡支梁結構的安全性和穩定性，是保障交通正常通行的關鍵性措施，也是推動交通事業發展的關鍵。

1.2 橋梁下部結構

橋梁下部結構是指基礎結構形式，比如橋墩、橋臺等。這些部位可以有效地支撐上部結構，還能將橋跨結構受到的荷載傳輸到其他結構中。橋臺結構安裝在橋梁兩端，除了能夠支撐橋跨位置，還可以穩定連接道路和橋梁。橋墩結構通常安裝在橋臺中間以及橋跨的下部，要結合現場情況確定最佳的橋墩數量，做出合理規劃設計。

如果現場條件允許，或者設計方案有要求，可以不設置橋墩。在橋梁的基礎結構中，橋梁墩臺是目前非常重要的下部連接結構，也是簡支梁橋的關鍵性承載結構，其施工工藝復雜、難度高，并且該結構對于整個橋梁的安全性有直接的影響。

1.3 橋梁支座結構

橋梁支座是必不可少的組成結構，將其布置在橋梁墩臺和橋跨之間，將橋跨和橋梁墩臺連接起來，還應滿足橋跨的位移和轉動的要求。除這些結構外，簡支梁橋還有伸縮縫、橋頭搭板、導流結構等，這些都是保障簡支梁橋穩定性、安全性的關鍵，是提升橋梁質量的核心結構部件。

2 簡支橋梁設計的基本要求

2.1 橋梁使用方面

對于橋梁工程來說，其承載性能關系到安全性和穩定性，對提高交通通行安全性有重要的意義。在橋梁使用的過程中，必須滿足車輛、行人的通行需要，并根據現場交通條件確定最佳橋面寬度數據信息，還要達到安全、排水效果要求。

2.2 橋梁設計方面

設計人員需要結合實際需要確定設計理念和方法，從而保證簡支梁橋的安全。同時，還應確定最佳的材料、設備及工藝，滿足橋梁使用標準、現場施工可以順利進行。在設計之前，要明確具體的設計要求，加強施工進度管理和控制，達到規定標準要求，產生較高的經濟效益與社會效益。

2.3 經濟方面

在簡支梁橋的設計環節，經濟方面是不得不考慮的因素。第一，在設計環節，根據現場的實際情況，分析各方面因素，明確經濟性指標，通過優化設計方案等措施，將項目建設的成本控制在合理范圍內，防止發生超預算的問題。第二，對橋梁施工作業現場的環境展開全面調查，如交通環境、自然環境等要素。分析現場環境，結合實際情況制定出合理的環境保護措施和方案，從而降低噪聲污染的影響，實現成本降低。施工單位應制定完善的環境監測方案和體系，落實各項環保處理措施，并且有針對性地采取處理措施，減少橋梁施工環節對交通、自然環境造成的負面影響。

加強經濟方面的分析和控制，能提高項目經濟效益，但必須在確保質量、安全的前提下進行，才能實現綜合效益的提升。

2.4 美觀方面

在現代社會高速發展的大背景下，人們生活水平日益提高，經濟發展速度加快，對美好的事物有強烈的渴望。在橋梁設計中，簡支梁橋梁達到美觀性要求，并不是指設計人員要選擇夸張、奢華的裝飾形式，簡單、淳樸的設計更能創造獨特的美學感受。在橋梁工程中，美觀性就是讓橋梁和周邊環境有效融合，人們能夠感受到韻律性、和諧感，同時還要實現材料、色彩的合理搭配使用，使人產生清爽、舒適的感覺。需要注意的是，追求橋梁的美觀性是在保證功能、質量、安全為前提下進行的。

3 工程概況

該橋梁項目是當地的重要跨江工程，采取空心墩設計形式，平均墩高超過50m，面臨著大風等惡劣天氣的影響。經過綜合分析，該橋梁不適宜橋下作業施工，不能安裝支架輔助，且墩高較高時，受架設設備不便及結構跨度等方面干擾，使用32m 的簡支梁經濟性較差。經過設計人員綜合分析，確定使用48m 節段預制膠拼裝簡支箱梁。梁體結構應用單箱、單室等高度預應力混凝土簡支箱梁，施工材料為C60 混凝土。按照設計方案的要求，頂寬12.2m，底寬6.2m，梁高4.2m。 跨中截面頂部厚度32cm，底板結構厚度35cm，腹板結構厚度50cm。根據需要，計算分析各項參數，確定底板、腹板厚度，適當增加厚度，并且在支點周邊布置預應力結構，保證達到正常使用的標準。

4 設計分析

4.1 預制梁段劃分

按照設計人員計算結論，確定簡支箱梁跨度尺寸為46.9m。根據支座重量、預應力張拉千斤頂使用空間、造橋機構造尺寸等因素，梁體長度確定為49.1m。預制箱梁結構部分，梁段重量不超過2000kN，還要確保每跨箱梁支座為奇數塊，防止存在跨中設置接縫的情況，并對稱布置，所以48m 簡支梁預制段按照4.8m、4.3m、3.4m 三種規格設計，總計11 個階段，10 個接縫。

4.2 預應力體系及鋼束布置

在箱梁設計中，按照要求布置縱向預應力結構。箱梁的腹板、底板結構在施工中，選擇使用直徑規格為7Ф～15Ф 大小鋼絞線，抗壓強度為1860MPa。

4.3 箱梁結構靜力分析計算

4.3.1 計算理論

簡支箱梁的設計應用MIDAS/Civil 軟件模擬分析，按照縱向全預應力設計分析?，F場施工中，應按照分段吊梁、永久預應力張拉、二期恒載、10年收縮徐變4 個階段進行。此次有限元模型如圖1 所示。

圖1 簡支箱梁有限元模型

4.3.2 荷載組合

按照國家標準要求，選擇兩種荷載組合方式，即主力和主力+附加力兩種工況，開展結構性能驗算和分析，得出數據分析結論，為后續工作提供指導性作用。

4.3.3 檢算結果

主力和主力+附加力兩種工況下，MIDAS/Civil有限元模型分析結果如表1 所示。

表1 荷載工況應力總匯表（kN/m）

應力種類荷載組合主力主力+附加力上緣正應力最大12.39 16.0最小4.1 8.3下緣正應力最大12.2 12.6最小4.4 0.9剪應力最大2.5 2.5

5 永久預應力張拉及松吊掛匹配技術研究

5.1 研究概況

節段預制拼裝環節中，將吊桿拆除作業前，如果張拉預應力比較小，拆除后極易引發事故，如果張拉預應力比較大，因為架橋機的剛度不如橋梁結構大，預應力張拉施工中，橋梁上拱量相對小，所以容易出現吊桿力無法全部卸載的情況，極易出現結構開裂的問題，對橋梁的耐久性、正常運營帶來很大的影響。

懸吊環節中，吊桿受預應力影響，結構受力復雜性較高，拆除吊桿應選擇合適時機，并且加強張拉施工順序控制，這樣才能符合工程的要求。技術人員針對48m 階段拼裝簡支梁張拉力、吊掛匹配技術進行深入分析，確定如下要求：

第一，拆除還未拆除吊桿時，要嚴格控制截面上緣應力。因為結構自重是吊桿承擔的，如果不分析確定張拉預應力，那么橋梁上拱之后所造成的架橋機卸載自重是通過預應力承擔的。這種條件下需要對預應力對橋梁應力影響分析，而后按照要求工藝開展張拉作業，如此才能夠將預應力鋼絞線持續作用發揮出來。同時，在施工的過程中若結構應力沒有能夠達到標準要求，則需要明確相應的張拉量參數。此外，在施工環節還需要分析梁體結構上拱所造成的應力，在張拉時需要嚴格按照施工標準做好截面上緣應力控制，如此才能確定拆除吊桿之前的最大預應力張拉量，確保結構安全性。

第二，吊桿拆除作業后，應確保結構完全達到安全標準。按照張拉工藝順序逐步進行張拉施工，不需要再了解其支撐性能的要求，簡支梁受到自重、預應力同時作用，為保證截面強度性能，還要使下緣沒有出現拉應力。該準則的應用目的是了解吊桿拆除前最小預應力束張拉。

5.2 簡化計算分析方法

5.2.1 有效預應力計算分析

以設計規范為出發點，綜合分析預應力參數，確定每束預應力直接引起的簡支梁上緣應力σ和下緣應力σ。

5.2.2 自重作用的上下緣應力分析

計算簡支梁自重，再將該自重除以橋梁跨徑，即得出近似的均布荷載參數。此次橋梁項目中的自重荷載分布為g=321.26kN/m，然后計算跨中彎矩M 自重=92522.01kN/m。根據上下緣應力標準計算得出上下緣應力分別σ=6072.979kPa、σ=-9568.95kPa（“-”代表下緣受拉）。

5.2.3 準則自重效應分析

因為預應力張拉施工中，橋梁結構的自重是通過架橋機吊桿和張拉鋼絞線共同承載的，所以在計算上下緣應力時，還應分析確定張拉預應力過程中，簡支梁結構自重產生的影響。目前通用的方法是利用橋梁跨中上拱量和架橋機撓度比值，分析確定簡支梁自重是否是通過預應力承載的。

6 簡支橋梁設計的要點分析

6.1 計算環節

設計人員在分析設計中，應合理確定橋梁設計方案，分析其可行性參數。首先，按照橋梁正常使用壽命、現場環境確定設計方案，再計算受力條件，得出各個橋梁結構部分的數據信息。其次，技術人員按照橋梁結構尺寸，確定橋梁的車道板、主梁、橋梁制作及基礎結構的計算，主要包括剛度和穩定性方面分析，然后通過計算分析的結論反向推定開始假設的橋梁結構尺寸是否合理。如果發現假設的橋梁結構尺寸參數未能通過驗證，則要重新確定，并且再次驗算分析，以提高數據的準確性。

6.2 常見錯誤和缺陷

簡支橋梁在正常的使用過程中，容易發生蜂窩、空洞、表層脫落等問題，具體分析如下：

一是橋面蜂窩，多數是由于在設計環節鋼筋設置的密度過高或者混凝土材料內的粗骨料粒徑過大所造成的。二是橋梁空洞，發生原因多數是因為設計環節的鋼筋選擇不當，或者在施工時振搗不到位，還有可能是漏漿的問題。三是裂縫問題，很多橋梁經過長期的運營都會發生裂縫的問題，一般包含網狀裂縫、下緣受拉裂縫、斜向裂縫等，以溫度變化、荷載作用形成的裂縫為主。裂縫的形成，一方面是因為混凝土的配合比參數設計不當，另一方面是因為橋梁長期運營中受到外部作用力的持續影響，從而誘發裂縫的危害。四是伸縮縫病害，簡支梁的伸縮縫是極為重要的結構，因設計缺陷，導致伸縮縫存在病害問題，極易造成結構端部剛度性能不足，或者錨固部件出現問題。個別設計人員經驗不足，設計基礎知識掌握不夠牢固，沒有綜合分析各個方面的要素，造成伸縮縫性能不合格，從而引發嚴重的質量問題。有些橋梁設計方案的缺陷，引發伸縮縫的病害問題，危害橋梁功能，產生的負面作用是巨大的。因此，設計人員針對上述的缺陷問題，規避設計缺陷，提高設計水平，為簡支梁橋的正常使用奠定基礎。

6.3 加強抗震設計

我國很多地區是地震多發帶，所以加強抗震設計是設計人員都應掌握的技能，以提升橋梁使用的穩定性和安全性。不同地區地震發生率不同，地震強度也有差異，應考慮不同地震設計烈度和地質條件，確定最佳方案，而這樣也會造成橋梁成本的升高。

橋梁建設中，盡量不要在液化土層區域內建設，且連續梁橋的形式抗震效果明顯優于簡支橋梁。具體選擇何種形式的橋梁，應從工程整體的需要及現場情況綜合分析確定，才能提高橋梁的抗震性能和水平。簡支橋梁在受到地震作用后，主要發生的病害是以下三個部分：第一，橋梁上部結構損壞，具體表現為錯位、滑落等，但結構本身并不會發生較大的傷害，也有可能是上部錨固結構的斷裂，最終造成混凝土剝落、開裂等。第二，下部結構損壞，具體表現為主體結構出現斷裂、缺損等問題，也有可能是連接部位發生病害問題。第三，橋梁基礎發生損壞，具體表現為墩臺基礎位移、下沉等，會給整個橋梁造成極大的傷害，比如結構錯位、滑落等，影響橋梁的正常使用。

橋梁的抗震設計開始前，組織地質勘探專業技術人員進入現場進行詳細勘察，了解地質條件，并與當地地震部門保持聯系，查閱地震發生情況資料，收集全部資料，才能明確具體的設計理念和要求，提高橋梁的總體水平。

7 結語

在簡支梁橋的抗震設計環節，設計人員應積極落實設計選型工作，根據需要計算各個結構模式的優勢，編制橫向、豎向、橋向的設計方案，從而提高橋梁工程的質量。同時，在簡支梁設計環節，還需要深入實際在了解設計標準以及要求基礎上，掌握橋梁的荷載參數，這樣才能切實提升橋梁設計水平，給橋梁工程項目建設奠定基礎。