混凝土桥梁类型选取及其断面设计要点

2014-12-26宋文蕊

交通运输研究 2014年4期

关键词：墩台刚构桥跨径

宋文蕊

（衡水市公路勘测设计所，河北衡水053000）

0 引言

钢筋混凝土桥梁是公路桥梁建设应用较为广泛的结构类型之一，无论是公路、铁路还是城市桥梁，绝大部分为钢筋混凝土桥。因此，合理地设计混凝土桥梁的断面及其类型也成了桥梁设计的关键。

1 混凝土桥梁断面设计

1.1 混凝土桥梁纵断面设计

混凝土桥梁纵断面设计又称桥孔设计，主要包括桥孔长度、桥孔布设、桥面高程的确定，以及墩台基础冲刷计算与最小埋量埋深、桥头引道设计等。桥孔长度设计的目的是在保证桥梁安全营运情况下，顺畅渲泄洪水（包括设计洪水）的水流和泥砂，避免河床产生不利变形。混凝土桥梁的演洪净孔径设计得过小，将使洪水不能全部从桥下通过，从而抬高了桥前的壅水高度，加大了桥下的水流速度，对河床和河岸产生冲刷，甚至引起墩台失稳、路堤决口等重大事故。工程实践效果表明，对于桥梁的分孔应考虑较多因素。如果桥梁分孔过多，虽然桥跨结构路径小且相对经济，但桥墩数目的增多，可能使综合造价增大。反之，分孔过少，墩台的造价可能降低，但桥梁结构因跨径增大，造价也随之提高。最经济的路径就是使上部结构和下部结构的总造价最低。显然，对于桥墩较高或地质不良的情况，适宜选取跨径较大的桥梁；反之，当混凝土桥墩较矮或地质较好时则适宜选取跨径较小的桥梁，但也应当选取标准跨径。

在实际设计中，要对不同跨径布置加以比较分析，从而选取更为经济合理的跨径及孔数。结合实践经验，笔者总结出桥孔布设时应考虑以下原则：

（1）应当结合河床变形和流量不均匀分布的影响，即桥孔布设应与天然河流断面流量分配相适应；

（2）对于通航和筏运的河段，应充分考虑河床渲变所引起的航道变化，将通航孔布设在稳定的航道上，必要时可预留通航孔；

（3）在主流深泓线上不建议布设高桥墩，在断层、陷穴等不良地质段更不宜布设墩台；

（4）在有流冰、流木的河段上，可适当加大桥孔，而且必要时可考虑在墩台上设置破冰体。

1.2 桥面高程的确定

混凝土桥面高程实际上控制着桥梁的高度，应结合桥下的设计水位、是否为道航、桥型以及桥梁所在道路的断面设计来确定。无论是钢筋混凝土还是预应力混凝土装配式板桥，混凝土桥梁跨径越大，实心矩形截面就显得越不合理。为此，应适当对截面中间部分进行挖空而形成空心板，因为空心板不仅有助于减轻自重，同时还可以有效地利用材料。空心板的开孔型式如图1 所示，其中（a）型和（b）型为单孔，挖空率大、重量轻，但顶板需配置横向受力钢筋承担荷载的作用，且（a）型顶部略呈拱形，虽可节省一些钢筋，但模板较复杂；（c）型和（d）型为双圆孔形，其中（c）型为双圆孔，施工时可用无缝钢管（或充气囊）作芯模，但挖空率小，自重较重。

图1 空心板截面形式

对于标准跨径为13m的先张法预应力混凝土空心板桥构造，原规范荷载等级为汽车—20 级，挂车—100；桥面净空为净—7m+2×0.25m 的安全带，总宽为8m，由8 块宽99cm 的空心扳组成，板与板之间的间隙为1cm；板全长12.96m，计算跨径126m，板厚60cm。

混凝土桥面中心标高确定后，可根据两端桥头的地形和线路要求来设计桥梁纵断面及桥面线型：一般的小桥，通常做成平坡桥；对于大、中桥，常常把桥面做成从桥中央向桥头端纵坡为1%~2%的双坡面，尤其是应通航要求桥面标高较高情况，为了缩短引桥和降低桥头引道路堤的高度，更有必要采用双向倾斜的纵向坡度；对于大中桥桥上的纵坡不宜大于4%，桥头引道不宜大于5%，位于市混合交通繁忙处，桥上纵坡和桥头引道纵坡均不得大于3%。

1.3 桥梁横断面设计

混凝土桥梁横断面设计，主要是确定桥面宽度、与此相适应的桥跨结构宽度与横断面的布置。为了保证车辆和行人的安全通过，应在桥面以上垂直于行车方向保留—定界限的空间，这个空间为桥面净空。

2 桥梁选型设计

混凝土桥梁的构造类型决定其独特的受力特点及其应用，下面结合具体实践，对受力不同的简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥进行简要分析。

（1）简支梁桥

简支梁属于静定结构且相邻桥孔各自单独受力，故结构内力不受墩台基础不均匀沉降影响，从而能适应于地基土较差的桥位。简支梁主要受其跨中正弯矩的控制，当桥梁跨径增大时，梁的跨中截面恒荷载弯矩和车辆荷载等作用产生的弯矩将会显著增大。恒荷载弯矩所占的比例较大时(混凝土桥梁的跨径增大)，梁能承受的活荷载能力就减小。显然对于采用钢筋混凝土简支梁的桥梁来说，其常用跨径应控制在20m以下。当采用预应力混凝土简支板时，常用跨根适宜控制在13~16m。对于采用预应力混凝土简支梁的，则跨径适宜控制在25~50m。

（2）连续梁桥

连续梁桥是采用连续梁作为桥跨结构承重构件的梁式桥。连续梁在竖向力的作用下支点截面会产生负弯矩，从而可有效地减小梁跨中截面的正弯距，正因为这一受力特点可显著地减小梁跨中的建筑高度、节省混凝土数量，工程实践表明这种类型的桥梁跨径越大，节省效果越明显。连续梁作为超静定结构，当一个支点不均匀沉降时，就会使各跨产生附加内力，所以对这种类型的桥梁墩台要求严格。从当前的应用效果来看，钢筋混凝土连续梁的主孔跨度适宜用于30m 以下，预应力混凝土连续梁的主孔常用范围则适用于40~160m。

（3）悬臂梁桥

将简支梁梁体加长，并越过支点就成为悬臂梁。如果仅仅桥梁的一端悬臂则为单悬臂梁，两端悬臂则为双悬臂梁。对于较长的桥可以借助简支挂梁与悬臂梁一起组成多孔桥。在受力方面，悬臂部分使支点上产生负弯矩，减少跨中的正弯矩。显然对于相同的跨径，悬臂梁跨中高度可比简支梁小。悬臂梁属静定结构，墩台的不均匀沉降并不会引起桥梁的附加应力。带挂梁的悬臂梁，挂梁与悬臂连接处的构造比较复杂，挠度曲线在这个连接处有折点，从而会加大汽车荷载的冲击作用，因此容易出现损坏。

通过对以上几种受力不同类型的混凝土桥梁分析，在墩台上必须设置专门的传力和支承部件即支座。在实际工程设计中，对于混凝土梁式桥梁还有T形刚构桥和连续刚构桥。T形刚构桥是—种具有悬臂受力特点的梁式桥，它是从桥墩上伸出总臂段，形同“T”字，在桥跨中部以及简支挂梁组成的受力结构。对于带挂梁的T形刚构桥是静定结构。预应力混凝土T形刚构的主孔常用跨径在60～200m 范围。连续刚构桥综合了连续梁和T 形刚构的特点，通过把主梁做成连续梁与薄壁桥墩固结。鉴于薄壁桥墩作为一种柔性桥墩，在竖向荷载作用下，连续刚构桥基本上是无推力的受力体系，而梁具有连续梁的受力特点。预应力混凝土连续刚构桥的主孔路径已达到270m。T 形刚构和连续刚构桥的主梁与桥墩均为固结，是不在墩上设支座的梁式桥。

3 桥梁支座设置

钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥在桥跨结构和墩台之间均须设置支座，用于传递上部结构的支承反力，包括恒荷载和活荷载引起的竖向力和水平。通过支座设置可有效地确保桥梁结构在活荷载、温度变化、混凝土收缩和徐变等作用下实现自由变形，以使上、下部结构的实际受力情况符合结构的计算图式。梁式桥的支座一般分固定支座和活动支座两种。固定支座既要固定主梁在墩台上的位置并传递竖向压力和水平力，又要保证主梁发生挠曲时在支承处能自由转动。活动支座只传递竖向压力，但它要保证主梁在支承处既能自由转动又能水平移动。

按照各种类型桥梁的计算图式，简支梁桥应在每跨的主梁端设置固定支座，另一端设置活动支座。悬臂梁桥的梁锚固端也应在一侧设置固定支座，另一侧设置活动支座。多孔悬臂梁桥挂梁的支座布置与简支梁相同。连续梁桥应在每联主梁中的一个桥墩（或桥台）上设活动支座，其余墩台上均应设活动支座。此外，悬臂梁桥和连续梁桥在某些特殊情况下梁的支座需要传递竖向拉力时，应设置同时能承受拉力的支座。