鋼筋混凝土預應力公路橋梁工程的設計分析

張一權

摘 要：在斜拉橋、連續梁等橋梁中采用預應力技術，施工效果良好。為發揮預應力技術的結構優勢，鋼筋混凝土預應力公路橋梁中前期的設計工作中，應綜合多方面因素來優化設計細節。基于此，重點分析鋼筋混凝土預應力公路橋梁工程的設計要點，希望對同類型項目具有指導與借鑒意義。

關鍵詞：鋼筋混凝土預應力技術；公路橋梁工程；設計要點

中圖分類號：U448.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）04-0019-03

0 引言

鋼筋混凝土預應力公路橋梁的抗震性好、穩定性高，主梁變形撓度曲線平緩、橋面伸縮縫小，不僅可增強整體的結構安全性，更能為人們提供更為舒適的通行條件。當前一些公路橋梁的結構復雜，設計難度較大，為克服傳統結構設計技術下的劣勢，可用高強度鋼筋與混凝土并施加一定的外力，來減小各構件承載的應力，降低結構承壓力。未來的公路橋梁中行業內需大力推行鋼筋混凝土預應力技術，設計人員需從實際情況出發優化細節。

1工程概況

某公路橋梁工程（K33+300.00橋），位于貢山縣迪布里（滇藏界）至中緬邊界（41號）界樁國邊防公路（雄當至迪郎橋段）上，本橋為跨越山溝而設置（山溝有泥石流）。上部結構采用2×30 m后張法預應力混凝土簡支T梁；下部結構0#橋臺、1#橋臺采用樁柱式橋臺，橋墩采用雙柱式橋墩，樁基礎均按摩擦樁設計。全橋的起點樁號為K33+266.97，橋梁的終點樁號K33+333.03，全長66.06 m。

此橋梁工程所處地段的地形地勢環境十分復雜，地形切割深，沿線左、右橫坡較陡，全線在多處跨越河流與溪溝，且沿線路段的地層條件復雜，基巖地層為上古代生界石炭系（未分）Ca、Cb、Cc變粒巖、大理巖、片巖、石英巖、角閃巖、混合巖地層，第四系覆蓋層總體厚度變化幅度較大。

2 橋梁設計的注意事項

綜合本工程項目現場的地質地形、水文土質等條件，并考慮結構安全性、抗震性要求，橋梁為單幅結構，只需設置邊防撞護欄。上部結構用先簡支后連續預應力混凝土T梁，橋跨按照2×30 m布置，0#、2#橋臺選擇樁柱式橋臺，橋墩為樁柱式橋墩，全橋基礎均為鉆孔灌注樁，橋臺后設6 m長的鋼筋混凝土搭板。為保障橋梁橫坡的合理性，設計人員需參考墩臺蓋梁和墊石高度來調整，避免橋面橫坡過大或者過小。

伸縮縫在橋梁結構中有著重要的作用，本工程項目中通過分析結構細節，最終選用CD-60型伸縮縫，分別布設于0#、2#橋臺[1]。全橋采用GYZ450×99 mm型板式橡膠支座和GYZ600×1100 mm型板式橡膠支座，其中，橋臺位置和橋墩位置應區分開來，前者用GYZ450×99 mm，后者用GYZ600×110 mm。在設計T形梁的過程中，應引入Midas/Civil 2006空間有限元程序，并按照單梁格展開計算與分析，主梁按部分預應力混凝土A類構件設計。

T型預制梁高2.0 m，上設10 cm厚的現澆橋面混凝土，用10 cm瀝青混凝土橋面鋪裝。T梁間距2.45 m，中梁預制寬1.8 m，翼板間留有0.5m的橫向濕接縫，跨中段預制T形梁梁肋寬0.2 m，馬蹄寬0.5 m。靠近端部時的梁肋寬從0.2 m漸變為0.5 m，與馬蹄寬度一樣，漸變長度為3.6 m，梁肋寬由0.5 m漸變到0.6 m，漸變長度為1.2 m，端部1～1.4 m范圍內梁肋寬0.6 m。本工程項目中30 m T形梁鋼束錨下控制張力如表1所示。

3 鋼筋混凝土預應力公路橋梁工程的設計要點

3.1 抗震設計

任何公路橋梁工程項目中都不可忽視抗震設計，對鋼筋混凝土預應力公路橋梁工程而言也是如此。設計人員需重視抗震設計，并結合現場的實際情況選擇恰當的抗震設計方法，如應考慮橋臺墻，以保障其能承受地震時的慣性荷載，符合路橋工程中對梁柱尺寸、延性等提出的標準。設計人員在抗震設計中，必須嚴格參考有關的設計標準與規范。

通常情況下，當出現地震災害時，對背墻、翼墻雖有一定的損壞，但損壞較小。橋臺地震來臨時橋梁系統的動態響應參與度，直接反映的是設計效果與結構配置，為此，抗震設計中設計人員應分析橋梁與橋臺系統之間的荷載傳遞特點，墻土系統的有效剛度、受力情況，橋臺墻結構設計要求等，優化局部設計[2]。

公路橋梁在地震荷載影響下，土壓力往往對橋臺墻有較大的作用力，從靜態變化角度分析，其涉及兩種狀態：動態主動壓力狀態，墻體與回填的距離較大；被動壓力狀態，在橋梁慣性荷載下，需采取措施提升結構抗震性。

行業內的相關標準中關于抗震設計有清晰的規定：橋臺抗力應力限值為70%，有關設計中需嚴格遵照此標準展開設計。橋臺剛度與被動能力之間為雙線性關系，如地震作用下背墻存在平移運動，基本可判定被動壓力在高度上為均勻分布的關系。

工程設計中為提高結構抗震性，可采用以橋臺為縱向抗震系統的主要結構，使橋臺能承受地震位移。如在設計中僅考慮橋臺剛度、承載力，則需將橋臺位移形成的被動壓力區延伸到工作靜荷載設計的主動壓力區之外，墻體總高度應在10 m以內；當為結構性土墻時，橋臺基礎前緣到面板背面的距離需超1.2 m，橋臺基礎覆土厚度不得小于15 cm。

3.2 上部結構設計

3.2.1預制T梁

本橋梁工程的結構設計中，T梁預制為關鍵步驟，設計人員與施工人員應充分交流與協商，結合現場的實際情況逐一對各片T梁編號，以保障后續安裝作業時可對號入座，編號中應包含孔號、梁號。澆筑預制T梁混凝土之前，有關人員需檢查各種附屬設施的預埋件是否符合要求，當達到相關規定后再行澆筑。預制T梁應采用鋼模板，并將各制梁段的斷面尺寸控制在合理范圍內。梁端2 m范圍內的混凝土應為錨下混凝土，因為鋼筋網分布密集，施工中應充分振搗，并嚴格控制施工質量。預應力張拉階段有關人員應密切監測主梁側向撓度，嚴格控制腹板，使腹板在任何位置上的側彎都在1.5 cm以內[3]。預制T梁橫隔板、梁端、梁頂板等與現澆混凝土接觸面時，鑿毛、沖洗為關鍵步驟，只有做好這些工作，方可保障新舊混凝土良好的結合效果。為避免施工中出現混凝土裂縫、邊棱破損情況，只有當混凝土強度達到設計強度的80%后才可拆模。

整個結構設計中，為避免預制T梁的上拱過大，預制T梁與現澆濕接縫及橋面鋪裝混凝土的收縮差過大，需合理控制存梁期，一般不得超過60 d。與此同時，為避免同跨、相鄰跨預制T梁間存在過大高差，同一跨的預制T梁存梁期應大致一樣，并減小相鄰跨各預制T梁存梁期的差值。T梁架設安裝環節應遵循對稱性、均衡性原則，同一孔4片預制梁齡期差應在10 d以內。架設梁體的過程中，應采用可靠的、防止梁體就位后側傾的措施。T梁正常就位后，需立即安排專人焊接橫隔板間的鋼筋，并對橫隔板、翼板濕接縫實施混凝土澆筑作業。運梁環節兩條軌道應布設于相鄰兩片梁肋上，為此要保持軌道軸線與主梁腹板軸線的重合，嚴禁將兩條鐵軌直接布置在同一片梁上。T梁運梁、安裝就位環節需采取有效的措施，梁體橫向傾斜度和縱向傾斜度應分別大于3°、5°。

3.2.2T梁堆放

預制梁堆放階段，施工人員需合理選定堆放支承位置，確保該位置與構造圖中的支承位置一樣。如存在現場場地限制需多層堆放時，疊放層數不得超過2層，且上下兩側梁肋軸線需位于同一鉛垂線，嚴禁直接將上層預制梁梁肋置于下層預制梁行車道板位置的情況。與此同時采取恰當的措施，避免出現預制梁的側傾現象。

3.2.3連續處濕接頭混凝土澆筑

連接處濕接頭混凝土的澆筑作為十分重要，在此設計環節應注意以下5個方面：①當一聯內梁體全部安裝就位，且墩頂臨時支座、永久支座標高、連續處濕接縫的普通鋼筋、管道布置等通過驗收后，才可進入混凝土的澆筑環節。②濕接頭混凝土的澆筑中也需選擇恰當的作業時機，一般要在一天內氣溫最低的時候實施，各現澆連續接頭的澆筑氣溫，溫差不得超過5℃，且需嚴格遵循澆筑順序的要求[4]。③永久支座需在設置濕接頭底模板之前安裝，在此施工環節，濕接頭部位的模板強度、剛度應達到要求，且應與預制梁體表面保持緊密貼合，控制好搭接長度，各個縫隙部位應保持嚴密性。④連接段濕接頭內的鋼筋與波紋管分布較為密集，利用插入式振搗棒開展相應的施工作業時，可引入振搗鏟人工搗固的方式，并綜合多方面因素制定最為科學的振搗方案，以指導后續的振搗作業。⑤濕接頭混凝土的養護周期應超過14 d，混凝土澆筑、養護階段，嚴禁任何人員、車輛碾壓混凝土面。

3.2.4T梁現澆橋面混凝土澆筑

現澆橋面混凝土與預制T梁的齡期差不得超過3個月，澆筑作業中有關人員需將環境溫度控制在合理范圍內，氣溫條件需在10～30℃范圍內。橋面混凝土澆筑作業開始之前，有關人員需預先測定各孔各片裸梁縱橫向的控制點標高，以通過這一方式來合理調整鋪裝厚度。如在施工中需調整鋪裝厚度，應保障調整后現澆混凝土層跨中附近的最小厚度在5 cm以上，支點附近的最大厚度不超15 cm。當現澆橋面混凝土達到設計強度后，汽車、重型施工機具才可在橋上行走。

3.3 橋梁細部尺寸設計

鋼筋混凝土預應力路橋工程項目的設計中，橋梁細部尺寸設計也關乎整體的結構穩定與安全，通過嚴控細部的各個尺寸，有利于提高整體結構的設計水平。現場施工作業中，尺寸為重點關注的參數，也是施工依據。為此，前期的設計工作中，設計人員應從腹板設計、頂板和底板設計、橋面設計等著手。

3.3.1腹板設計

鋼筋混凝土預應力橋梁中，腹板在整個結構體系中的作用突出，承受著來自橋梁截面的剪切應力、主拉應力，在特殊情況下彎矩可抵消剪切作用。因此，總體上分析，腹板承受的剪切應力、主拉應力相對偏小，結構設計中可選擇小尺寸腹板設計方法。與此同時，需保障腹板的最小厚度符合配筋布置、混凝土澆筑的切實需求。

本橋梁工程的跨度較大，腹板設計中，若要保障腹板厚度，可從跨中逐步向支點部位加寬，以保障腹板能承受來自支點的剪切力。結合實際情況，選用300～600 mm尺寸的腹板最佳，局部位置處可選用1 m左右的腹板。本工程中，將支座位置的腹板厚度設為0.8 m，跨中腹板厚度設為0.4 m，整體呈二次拋物線變化，以保障腹板能承受剪切應力與主拉應力。

3.3.2頂板和底板設計

底板與頂板在公路橋梁中也有突出的作用，整個結構體系中承受著正彎矩和負彎矩，同時承受著軸向拉荷載和壓荷載、豎向荷載壓力。因此，設計人員在設計中需合理設置頂板和底板的厚度。底板既需要滿足承壓標準，還要確保中軸在底板范圍以內并留有一定的富余。根據設計經驗，其一般為橋梁墩頂梁高的1/12～1/10。底板厚度則需根據橋梁構造情況來確定，如底板位置不需要配置鋼筋，底板厚度應保持在15～18 cm之間。若跨中正彎矩相對較大，有配置鋼筋的必要性，可在正常的底板厚度基礎上適當增大，如在20～25 cm之間[5]。

4 結語

鋼筋混凝土預應力公路橋梁為交通領域較為常見的一類項目，為提高此類路橋工程的建設質量，工程企業在項目中應重視設計工作，在各個環節的設計任務中嚴格執行有關的設計標準與規范，發揮預應力技術的突出優勢。

參考文獻

[1] 邰再科.公路橋梁預應力混凝土施工技術質量控制分析[J].黑龍江交通科技，2020，315（5）：225+227.

[2] 劉雪山，李建中，張宏杰，等.不同構造下的預制拼裝鋼管混凝土橋墩抗震性能試驗[J].中國公路學報，2021，34（11）：116-128.

[3] 毛德均，許鵬，陳旭，等.體外預應力加固鋼筋混凝土簡支梁的設計參數研究[J].公路工程，2021，46（2）：8-14.

[4] 黃志剛，徐志華，鄧俊雙，等.鋼管混凝土系桿拱-連續梁組合橋拱腳結構優化研究[J].公路，2020，65（10）：187-191.

[5] 牟風芹，鞠一帆.公路橋梁工程中預應力混凝土橋梁的檢測與加固[J].工程技術研究，2020，5（3）：89-90.