预应力混凝土连续箱梁设计研究
2016-12-08王宗泽,王建省,李家稳等
预应力混凝土连续箱梁设计研究
以实际工程为基础，结合目前桥梁的主要结构形式与技术要求，确定了桥梁结构形式为预应力混凝土连续梁桥。然后参照规范，初步估算出桥梁的细部构造尺寸，进而计算出主梁截面几何特性。最终对连续梁的承载力进行验算，从而验证了了桥梁设计的合理性，并提出依然存在的问题。
工程概况
目前我国大多数桥的结构多为多跨简支梁和连续梁结构形式。连续梁是超静定结构。在恒载作用下，连续梁的支点产生负弯矩而跨中产生正弯矩，类似于减小了跨中弯矩的大小，使弯矩的大小分配均匀，因而可以减小梁高，增大桥下净空高度和节省材料。连续梁不仅刚度大，整体性好，超载能力强，而且安全度高，桥面伸缩缝较少，再加上跨中截面的弯矩减小，使得桥的跨度可以增大。简支梁受力明确，特殊力的影响小，设计施工易标准化、简单化。预应力混凝土连续梁桥具有诸多优点，比如接缝少、刚度好、行车平顺舒适等，常被使用的跨度范围是30－120m。因此该设计最终选用预应力混凝土连续箱梁桥。
大桥东西向横跨黄河。左幅桥梁起讫桩号为ZK209+200.390～ZK210+842.000，全长1641.61米，上部结构为4×（3×50米装配式预应力混凝土连续梁）+（80+4×150+80米预应力混凝土连续刚构）+ ×（5×30米装配式预应力混凝土连续梁）+（4×30米装配式预应力混凝土连续梁）。桥墩采用钢筋混凝土实心墩、空心墩，灌注桩基础；0号桥台采用柱式台，灌注桩基础，左幅27号桥台肋板台，灌注桩基础，右幅24号桥台采用U台，扩大基础。
本桥采用3×50m，桥梁总长150m三跨预应力混凝土箱梁桥。梁体采用四片变截面预应力混凝土箱型梁，箱梁为单箱单室箱型斜腹板截面，混凝土采用C55，预制主梁高2.5m，顶板宽2.1m，底板宽1m，边主梁顶板宽2.55m，底板宽1m，支点处截面腹、底板进行了加厚。施工方法采用预制拼装，跨与跨之间采用简支转连续，预制主梁间采用0.9m 的现浇湿接缝。大桥布置图见图1所示。
图1 该大桥立面布置图
工程材料及主要材料参数
（1）混凝土
主梁采用C55混凝土，翼板湿接缝、墩顶湿接头为C50微膨胀混凝土。桥面铺装上层为沥青混凝土。
（2） 钢材
①预应力钢材
主桥纵向预应力材料采用符合GB/T 5224－2003的高强低松弛预应力钢绞线。预应力钢束公称直
径为15.2mm，面积为139mm2，抗拉强度标准值为1860MPa，预应力钢筋的弹性模量为1.95MPa，锚下张拉控制应力为1395MPa。
②普通钢筋采用R235和HRB335钢筋，钢筋直径≥10mm，采用HRB335热轧带肋钢；钢筋直径＜10mm者，采用R235（A3）钢。
结构细部尺寸
箱形梁截面尺寸：梁高为2.5m，为便于模板制作和外形美观，主梁沿纵向外轮廓尺寸保持不变，端部设置横隔梁，高2.2m，宽0.5m，横向共计4片箱形梁，采用湿接缝进行连接，湿接缝宽0.9m，厚度为0.2m，预制箱形梁跨中顶板宽2.1m，腹板厚0.25m，底板厚0.25m；端部顶板宽2.1m，腹板厚0.35m，顶板厚0.2m，底板厚0.35m，腹板和顶板间设有承托。底板厚度，腹板厚度在距支座中心线3.0m处，开始渐变为距支座中心线0.1m处的0.35m，如图2所示。
主梁截面几何特性计算
先算出各验算面的毛截面特性和钢束位置，以此为基础计算出主梁净截面和换算截面面积、惯性矩，然后算出梁截面分别对重心轴，上梗肋与下梗肋的静矩，最后汇总成截面特性值总表，为各受力阶段的应力验算准备计算数据。截面几何特性汇总见表1。
表1 截面几何特性汇总见表
图2 主梁横断面尺寸图及纵剖面示意图（单位：cm）
截面承载能力极限状态计算
正截面承载力计算
依据《公路预应力混凝土桥涵设计规范》确定箱型截面翼缘板的有效宽度，对于连续梁：
由《公路预应力混凝土桥涵设计规范》查得理论跨径
根据上述bi/li的比值，查得ρf=1.0，所以，
受压区高度x 计算：
其中
所以
即中性轴在上翼缘中通过，为一类T形截面。
受压区高度x 应符合下列要求
满足《公路预应力混凝土桥涵设计规范》防止出现超筋梁及脆性破坏的要求。
正截面承载力验算：对于跨中截面，带入将x=162.698mm下式计算截面承载力：
所以跨中截面正截面承载力满足要求。
对于L/4截面，按照跨中截面的计算方式，可得：
所以L/4截面正截面承载力满足要求。
同理支点处截面，可得：
由上可知，支点处截面正截面承载力满足要求。
验算最小配筋率：最小配筋率应满足以下条件：
式中：S0为全截面换算重心轴以上（或以下）部分截面对重心轴的面积矩，对于跨中及L/4截面，对于支点处截面；Np为使用阶段张拉钢束产生的预加力；An为混凝土净截面面积和截面抵抗矩；W0为弹性抵抗矩；为扣除全部预应力损失后预应力筋的混凝土预压应力。
对于跨中截面：构件抗裂边缘产生的混凝土预压应力
换算截面抗裂边缘的弹性抵抗矩
所以跨中截面配筋率满足要求。
对于L/4截面：
所以L/4截面配筋率满足要求。
对于支点处截面：
所以支点处截面配筋率满足要求。
斜截面承载力计算
本设计选取距支点h/2处的截面和变截面点处进行斜截面抗剪承载力验算。箍筋采用四肢直径12mm的R235钢筋，设间距为sv=200mm ，距支点相当于一倍梁高范围内，箍筋间距为sv=100mm 。
截面抗剪强度上下限复核，先进行截面抗剪强度上下限复核。依据《公预规》若符合下列公式要求时，则不需要进行斜截面抗剪承载力计算：
式中：Vd为验算截面处作用产生的剪力组合设计值；为混凝土抗拉设计强度，对C55混凝土取值1.89MPa；α2为预应力提高系数，取 1.25；h0为计算截面处纵向钢筋合力作用点至上边缘的距离；b为验算截面腹板宽度。
距支点h/2处截面：
所以应进行抗剪承载力验算。
变截面点处截面：
因此应进行抗剪承载力验算。
截面抗剪承载力计算：当进行截面抗剪承载力计算时，其截面尺寸应符合下列公式：
式中：fcuk为混凝土强度等级，对C55混凝土，
距支点h/2处截面：
变截面点处截面：
斜截面抗剪承载力按下式计算：
10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.016
