关于大跨径预应力混凝土桥梁设计中的技术要点分析

胡征亚

摘要：随着高速公路交通的迅速发展，国内外修建了很多大跨度桥梁，预应力混凝土连续刚构桥应运而生，近年来得到较快的发展。在预应力混凝土连续刚构桥的优化设计中，三向预应力的优化是一个急需解决的问题。预应力混凝土连续刚构桥预应力设计是主桥上部结构设计的重要组成部分，如果预应力设计恰当，不仅使连续刚构的受力性能提高，混凝土材料得到充分的应用，而且可以节约钢材。

关键词：大跨径；预应力混凝土；桥梁设计；技术要点

中图分类号：TV331文献标识码： A

引言

桥梁是公路、铁路、城市道路和农村道路及水利建设中，为了跨越各种障碍的结构物。近几十年，由于我国科学技术的进步，工业水平的提高，桥梁建筑技术得以迅速发展。传统的桥梁施工大多是用费时、费工的满堂支架法，这种方法对于中、小跨径的桥梁施工尚能适应，但对于大跨高墩、水深较深的桥梁施工显然已不适应。后来发明了悬臂浇注与悬臂拼装法，随之产生了T型刚构。但随着高速公路的迅速发展，对桥梁工程质量的要求越来越高(如线型、外观、行车平顺舒适等)，多伸缩缝的T型刚构已不能很好满足要求，为此预应力连续刚构应运而生，并得到了较快的发展。连续刚构的结构特点是:结构整体性能好、抗震能力强、抗扭潜力大，桥体简洁明快、维护方便;梁体连续、梁墩固结，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了T型刚构桥不设支座、不需转换体系的优点;便于悬臂施工，且具有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度，能满足特大跨径桥梁的受力要求。

一、预应力混凝土连续刚构桥的预应力设计理论

随着高强度材料以及大吨位群锚预应力工艺应用的推广，现代预应力技术得到了很大的发展。预应力作为一种特殊荷载，在发挥作用的过程中，其性质是从体外荷载到体内荷载的过程，在预应力张拉之后尚未压浆之前，它对于结构而言是外力，而当预应力压浆之后，与混凝土结成为一体，则表现为一种特殊的内力。

（一）、预应力钢绞线的选择

目前国内外使用的预应力钢材主要有预应力钢筋、冷拉预应力钢丝、矫直回火预应力钢丝、低松弛预应力钢丝、普通预应力钢绞线和低松弛钢绞线。作为预应力钢材最新一代的低松弛钢绞线由于其高效、经济、施工方便,使建筑构件轻薄美观的优点,己大量使用在世界各地最重要的土木工程上,如大型桥梁、核电站、高层大跨度房屋、高速公路等。据上海铁道学院对铁路桥梁计算分析,采用高强度低松弛钢绞线可比现有同类桥梁减少钢绞线用量18%-23%。

（二）、预应力锚具的选择

后张法预应力混凝土结构所使用的锚具,主要可分为机械锚具和摩阻锚具两大类。机械锚固类锚具是在预应力钢材的端部采用机械加工形成一个适宜于锚固的工作条件来加以锚固。这类锚具通常用于锚固高强度粗钢筋或集束型高强钢丝,个别也有锚固单根或多根钢绞线的。其特点是锚具应力损失较小,连接比较方便,在未灌浆前可以重复张拉或放松以调整预应力。摩阻锚具类锚具是利用楔形锚具,将预应力钢材“挤紧”形成锚固作用,这类锚具品种较多,应用较广,其特点是锚力变化较多、吨位较大(单个锚具可达10000KN以上),穿索比较方便;不足之处是锚具损失较大,要重复张拉或连接较不方便。

（三）、预应力体系的设计

预应力混凝土连续刚构预应力体系的设计通常采用OVM和XYM体系。该体系的顶板纵向钢束均采用平竖弯曲相结合的空间曲线,集中锚固在腹板顶部承托上,底板钢束则尽可能靠近齿板处锚固。这样布束具有如下特点:a.使预应力具有最大力臂,较大限度地发挥其力学效应,同时由于布束接近腹板,预应力以较短的传力路线分布在全截面上。b.顶板束锚固在承托中,不需设置复杂的齿板构造,使箱梁尺寸完全由受力需要来控制设计。c.顶、底板钢束在平面上按同样的S线型锚固于设计位置上,可以消除集中锚固点产生的横向力。

二、大跨径预应力混凝土桥梁的抗震设计

（一）、选择合适的桥位、桥型和孔径

选择桥位时应尽量避开地震危险地段，充分利用地震有利地段。应尽量采用桥梁中线与河流正交，这样即使地震产生河岸滑移，影响也较小；其次，在高烈度地震区应尽可能采用规则性好的桥梁结构，结构的布置要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规则，避免引起突然的变化。地震区桥跨不宜太长，从而降低墩柱的延性能力。在保证工程经济的同时，选择小跨径方案，使桥墩承受的轴压水平较低，从而获得更佳的延性。桥孔宜选用有利于抗震的等跨布置，并尽量避免高墩与大跨的组合。宜形体简单、自重轻、刚度和质量分布均匀、重心低、便于施工。

（二）、桥梁上部结构的抗震措施

上部结构尽可能采用连续结构代替简支结构，进而减少伸缩缝的数量，降低落梁的可能性，同时也提高了桥上行车的舒适性。上部结构抗震的预防措施通常有：在梁底部加焊钢板，或采用纵、横向约束装置限制梁的位移，梁与墩帽用锚栓连接，T梁在端横隔板之间螺栓连接，曲梁桥，应采用上、下部之间用锚栓连接的方式。桥梁的支座锚栓、销钉、剪力键等应有足够的强度。梁端至墩台帽或盖梁边缘的距离，以及挂梁与悬臂的搭接长度必须满足地震时位移的要求。当采用多跨简支梁时，应加强梁之间的纵、横向联系，将桥面做成连续，或采用先简支后结构连续的构造措施。

（三）、桥梁下部结构的抗震措施

桥台高度宜控制在8m以内，桥台宜选择在地形平坦、横坡较缓、离主沟槽较远且地质条件相对较好的地段，并尽量降低高度，将台身埋置在路堤填方内，台周路堤边坡脚设置浆砌片石或混凝土挡墙进行防护，桥台基础酌留富余量。如果地基条件允许，应尽量采用整体性强的T形、U形或箱形桥台，对于桩柱式桥台，宜采用埋置式。利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方法。桥墩应避免承受斜向土压力。高墩宜采用钢筋混凝土结构，宜采用空心截面。可适当加大桩、柱直径或采用双排的柱式墩和排架桩墩，桩柱间设置横系梁等，提高其抗弯延性和抗剪强度。

（四）、桥梁基础的抗震措施

桥梁的基础应尽可能的建在可靠的地基上，应加强基础的整体性和刚度，同时采取减轻上部荷载等措施，以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。在可能发生地震液化的地基上建桥时，应采用深基础，使桩或沉井穿过可能液化的土层埋入较稳定密实的土层内一定深度，并在桩的上部，离地面1~3m的范围内加强钢筋布设。

三、预应力混凝土桥梁伸缩装置的设计要点

伸缩量是确定伸缩装置规格的最重要依据。影响梁体伸缩量大小的因素很多，主要因素有：气温变化引起的伸缩量；混凝土的徐变、收缩引起的伸缩量；制动力引起的板式橡胶支座剪切变形而导致的伸缩量。

（一）、温度变化引起的伸缩量

是影响桥梁伸缩量的主要因素，它分为线性温度变化和非线性温度变化，其中线性温度变化对桥梁伸缩量影响占据主导地位。桥梁结构在外界特定温度环境，梁体内部温度分布不均匀，梁体端部在材料热性能的变化下产生角变位。

（二）、混凝土的收缩和徐变引起的伸缩量

混凝土收缩和徐变，在多年后完成，此时伸缩装置将拉开一定距离，对伸缩装置的闭口将具有较多富余量。由于混凝土收缩和徐变在伸缩装置安装完成后缓慢进行直到完成， 这个因素在计算中不考虑，但可在确定伸缩量增大系数β 时作为有利因素考虑。

（三）、由制动力引起的板式橡胶支座剪切变形而导致的伸缩量

板式橡胶支座由于由制动力引起的剪切变形导致伸缩装置的伸缩，它与制动力作用方向、连续桥面或连续梁分段、板式橡胶支座的布置方式等有关，需根据实际情况计算其对伸缩装置的最不利的闭口量和开口量。

结束语

在众多的桥梁设计当中，预应力混凝土的使用是必不可少的，要充分认识和应用这项技术以提高桥梁的安全性。虽然预应力桥梁的设计在我国的时间并不长，但其优点受到广大桥梁建筑设计师的青睐。

参考文献

[1] 《公路桥梁橡胶伸缩装置》JT/T327-2004．

[2] 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62—2004．