变截面预应力混凝土连续箱梁桥的横梁设计

2012-09-25周海霞

城市道桥与防洪 2012年3期

周海霞

（南通景成交通规划设计咨询有限公司，江苏南通 226500）

0 前言

随着内河航道等级不断提升，跨越航道的桥梁跨径也随之增大。变截面预应力混凝土连续箱梁桥以其施工工艺成熟、结构整体性能好、后期养护方便，在跨越Ⅴ-Ⅲ级航道中得到广泛的应用。

变截面预应力混凝土连续箱梁桥的计算主要包含纵桥向和横桥向计算两方面。对于纵桥向，以及横向桥面板的计算，在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（以下简称桥规）中均有明确的规定，上部构造建模型时计算截面、单元划分、恒载，以及活载的加载都比较明确，对于一般的正交直线桥梁采用平面杆系计算软件即可满足设计要求。而横梁的计算，目前规范中未做明确的规定，本文主要谈谈对变截面预应力混凝土连续箱梁桥横梁的一些设计体会。

1 横梁的构造

由于箱形截面具有很大的抗扭刚度和横向弯曲刚度，因此荷载可以比较均匀地被传递，但当传递腹板间的垂直剪力时，相对较薄的顶板和底板会挠曲变形，荷载不能如整体的板式截面那样分布至全宽上。通过设置横梁可以减少这种因扭转而产生的变形。但由于过多地设置横梁施工比较麻烦，并且会引起局部刚度过大，应力集中，故一般直线桥梁仅考虑在支点处设置，以传递腹板的垂直剪力到支座外。其主要承受桥梁上部整体结构传递至支点处的恒载和汽车活载反力。

一般桥梁在支点处通常设置矩形截面的横梁，宽度在1.5～3.0 m之间；也有部分桥梁在中支点处设置双横梁,即顺桥向上在支座上部形成一箱形截面。设置双横梁，可以增大其抗弯刚度，但在构造上却相对比较复杂，不利于施工质量的控制。一般50～90 m跨径左右的连续箱梁设置单一横梁即能满足受力要求，设计应尽量考虑在满足构件受力的前提下，选择有利于施工的截面形式。

2 横梁的计算模型

变截面预应力混凝土连续箱梁桥一般采用桥梁博士平面杆系进行计算，横梁的计算模型主要是横梁计算宽度的采用和荷载的模拟。

2.1 横梁的计算宽度

毫无疑问，横梁两侧的翼缘在横梁受力上是提供抗力的，但是其有效宽度桥规并没有做出明确的规定，而对T梁有效翼缘宽度和箱梁上、下翼缘的有效宽度的规定并不适合横梁的计算。通过空间有限元的分析，可以确定横梁的受力状态，以及翼缘参与受力的有效宽度，但对于工程设计不可能每个横梁都进行空间有限元进行分析，可利用平面杆系进行简化计算。计算宽度横梁一般采用矩形截面或取工字形截面。

采用简化的平面模型进行计算，同结构的实际受力状态存在一定的差别，如不考虑翼缘提供的抗力，采用矩形简化截面进行分析，横梁上、下缘产生的应力状态肯定比实际状态要大。并且中横梁相对于端横梁来说，偏差较大，这是因为端横梁只有一侧翼缘参与作用，而中横梁有两侧翼缘参与作用。对于钢筋混凝土横梁，可以偏保守地取矩形截面，有利于裂缝的控制。但是对于设置预应力的横梁，过于保守，过大的预应力会使上缘产生过大的拉应力，应适当考虑翼缘的宽度，取工字形截面，翼缘的有效宽度根据经验可取6倍的顶板厚度。

2.2 荷载的分布

箱梁的荷载主要是通过腹板来传递的，腹板承受了大部分的剪力，采用平面杆系简化计算一般采用以下3种方法：（1）箱梁的所有剪力都是通过腹板传递到横梁上的，忽略上、下底板的作用，即腹板剪力法，荷载全部以集中力的形式作用于腹板位置（见图1）。（2）腹板传递80%的剪力，其它20%的剪力均布于整个横梁承担，即等效剪力法见图2）。（3）恒载按照上述第2种方法布置，车辆荷载支反力全部等代为汽车荷载并布置于横向加载有效区内，利用桥梁博士软件计算，可将一车道的活载产生的支反力作为横向分布系数代入，采用横向加载的方式，程序会自动计算或活载的最不利位置产生的最大效应。

图1 腹板剪力法示意图

图2 等效剪力法示意图

对于单箱单室的箱梁，支座对称布置在腹板两侧，荷载可均分布置。但对于单箱多室的箱梁，由于横梁较长，其对腹板有明显的弹性支撑作用，其内力受到支座布置的影响较大，近支点的腹板传递的剪力较大，边腹板的剪力要大于中腹板的剪力，一般横向预应力张拉后，各个腹板的受力会趋于均匀，设计从安全角度出发，荷载应该考虑两种情况：（1）各个腹板均分；（2）边腹板是中腹板的1.2倍。

以上几种不同的计算方法从理论上分析，箱梁的上部荷载均是先由桥面板传递至箱梁腹板，然后再由腹板传给横梁的，忽略了该部分的作用，明显不合理；而将永久荷载与车辆荷载全部按集中力加载于腹板位置，未考虑到车辆荷载的横向不均匀分布，也偏于不安全。设计应全面综合考虑。

2.3 工程实例计算结果比较

以一座跨Ⅲ级航道的变截面预应力混凝土连续箱梁为例，主桥跨径布置为50 m+80 m+50 m，桥面全宽12 m。采用单箱单室直腹板截面，箱梁中支点高度为4.5 m，边支点及跨中高度为2.2 m，箱梁底宽6.5 m，两侧翼缘板长度各2.75 m，在中点，以及端支点处设置横梁，中横梁宽度2.5 m，端横梁宽度1.8 m，顶板，以及底板厚度在距横梁边缘2 m处开始变厚。

其结构尺寸如图3～5所示（单位以cm计）。

设计分别按照矩形截面的三种简化方法进行了计算，并对计算结果进行了比较，比较结果如表1所列。

横梁的最大弯矩均发生在支座位置，从表1可以看出将恒载的80%按照集中荷载均分于两腹板，其余均匀布置；将车辆荷载支反力全部等代为汽车荷载并布置于横向加载有效区内，计算结果最为保守。

在建模时候，支座处采用的是点支撑，导致恒载产生了偏心弯矩；而实际上，支座都是有面积的，大部分恒载通过腹板直接传递到支座了，所以采用平面杆系的这种建模方式是偏于保守的，基本能够满足设计需要；毕竟对于工程而言，我们追求的不是百分之百的精确性，更重要的是桥梁在使用过程中的安全性能。

3 横梁的配筋

如果采用普通钢筋混凝土横梁，可根据最为保守的计算结果进行配筋。对于该例来说，中横梁和端横梁的高跨比均小于2.5,为深受弯构件。而桥规中对于深梁的构造配筋未有明确要求，忽视了横梁深受弯构件这一结构特性，会带来一定的安全隐患。在《混凝土结构设计规范》中的附录G对深受弯构件的构造和配筋都作了明确的要求：（1）单跨深梁和连续深梁的纵向钢筋宜采用较小的直径，且下部纵向钢筋宜均匀分布在梁下边缘以上0.2 h(h为截面高度)的范围内，连续深梁中间支座截面的纵向受拉钢筋宜按规定的高度范围和配筋比例均匀布置在相应高度范围内。也就是说对于深梁纵向钢筋的布置不是同一般受弯构件那样，将钢筋尽可能的布置在截面的上缘或下缘处，对于下缘正弯矩纵向钢筋，应该下缘以上0.2 h范围内均匀布置；对于上缘负弯矩纵向钢筋，应该上缘以下0.8 h范围内根据不同的高跨比进行布置。（2）深梁应配置双排钢筋网，水平和竖向分布钢筋间距不应大于200 mm，且在双排钢筋之间应设置拉筋，间距不宜大于600 mm。（3）纵向受拉钢筋、水平分布钢筋和竖向分布钢筋的配筋率不宜小于表G.0.12中规定的数值。配置钢筋时，从安全角度出发应作为参考，结合具体设计尽量满足。对于第（1）条的要求，建议采用普通钢筋混凝土构造的横梁，在上、下缘仍按照一般受弯构件的要求需配置满足裂缝宽度要求的主筋，比如该例中横梁支点上缘根据计算需配置82φ28的钢筋，在顶层布置双排主筋（注意在配置纵向预应力钢束时，顶层的钢束到顶面需保持一定的净距，以避免横向钢筋同其交叉）；同时在截面上缘以下0.8h范围内也配置等面积的小直径主筋，采用φ16的钢筋，根据附录G的要求，均匀分布在配筋范围内。对于一般三跨连续梁桥来说横梁的数量很少，增加的钢筋重量几乎不影响工程的造价。

图3 上部结构半立面图

图4 中支点横断面图

图5 边支点横断面图

表1 不同计算模型结果比较表

横向预应力索在由于起在截面中所处高度的变化而产生的应力结果相差较大，设计时应精心确定其位置，使其针对不同的计算模型均能满足规范对部分预应力混凝土构件上、下缘应力的要求。由于受构件构造及箱梁纵向预应力钢筋的影响，横向预应力钢筋要避免同纵向预应力钢筋及横梁处的人孔构造的交叉，其布置位置选择的空间较小,对预应力的效应还是有一定的影响的；同时在实际施工中,横向预应力的实际效果，由于受施工条件的限制一般会比计算的理论数值打折扣,所以即使是配置了预应力钢筋,也仍然需要配制一定数量的普通钢筋。对于该例的中横梁来说，由于截面上缘以下0.8 m的范围内均布置了纵向纵向预应力钢筋，横梁的横向预应力钢筋只能在以下范围内布置，在上缘以下1.0 m处，以及1.4 m处，下缘以上0.4 m处，以及0.8 m处布置四排共16根的JL32 mm预应力高强精轧螺纹粗钢筋，采用第1种和第3种加载方式，上、下缘的应力都在规范限定的范围之内。由于该例箱梁的悬臂长度较短，桥面板中未设置横向预应力钢筋，对于那些在桥面板中未设置了横向预应力钢筋的桥梁，在进行横梁计算时，该部分的横向预应力钢筋应一并代入计算。

由于该例横梁支点间距较小，考虑到施工的便利性，该例采用普通钢筋混凝土横梁。无论采用何种配筋方式，都应注意满足钢筋的最小净距要求，以保证混凝土振捣密实。