预应力连续箱梁设计要点

2017-03-27陈峰

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：梁桥跨径腹板

陈峰

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司,上海市 200092）

预应力连续箱梁设计要点

陈峰

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司,上海市 200092）

随着我国交通事业的发展,建造了大量的公路、市政桥梁及地铁区间高架桥梁,其中预应力连续箱梁占了不小的比例,量大面广的预应力连续箱梁直接关系着我国交通网络的安全畅通和有效服务。介绍了预应力连续梁的设计要点,有关经验可供相关专业人员参考。

桥梁工程；预应力连续箱梁；设计要点

0 引言

预应力连续箱梁的质量直接关乎我国交通网的安全畅通和有效服务,正确设计连续箱梁是保证工程质量的第一环节。

1 应用范围

预应力混凝土连续梁桥以构造受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竟争力的主要桥型之一。随着预应力技术的发展和不断完善,尤其是悬臂、顶推等先进施工方法的出现,更使预应力混凝土连续梁桥活跃在整个桥梁工程领域,无论是城市跨线桥、高架道路桥、山区高架栈桥,还是跨越江河的大桥,预应力混凝土连续梁桥都以它独特的魅力成为优选的方案。预应力连续梁的适用跨径范围一般在150 m以内,如果与T型刚构体系结合,则连续梁跨度可做到300 m以上。在铁路、地铁的桥梁上,35～40 m标准跨一般以简支梁居多,连续梁一般用在重要的节点处,这是因为相比公路铁路的活荷载比较大,弯矩有正负变号的区段占很大比例,预应力筋节省有限,施工较简支梁复杂,经济效益差,因而在平直段、非加宽段及非大跨越重要节点处较少采用连续梁[1-3]。

2 结构与尺寸

预应力混凝土连续梁以受力体系来分,有等截面、变截面连续梁桥、桁架连续梁桥,连续-刚构梁桥及V形墩连续梁桥等。其中等截面及变截面是目前我国预应力混凝土连续梁桥采用最多的截面形式。等截面连续梁一般适应以下情况:跨径一般为50 m内,构造简单,施工快捷的连续梁。预应力混凝土连续梁桥的截面形式很多,一般应根据桥梁的跨径、宽度、梁高、支撑形式、总体布置和施工方法等方面综合确定,合理地选择主梁的截面形式对减轻桥梁自重、节约材料、简化施工和改善截面的受力性能是十分重要的。目前预应力连续梁桥横截面形式主要有板式、肋梁式和箱形截面,而箱形截面具有良好的抗弯和抗扭性能,是预应力混凝土连续梁桥的主要截面形式,也是本文论述的对象。

桥孔分跨:桥孔分跨往往要受到地质水文条件、通航要求、地面跨越情况、力学要求、美学要求等的影响。若采用三跨或四跨不等的桥孔布置,一般边跨长度可取为中跨的0.5～0.8倍,这样可使中跨跨中不致产生异号弯矩,此外边跨与中跨跨长之比还与施工方法有着密切的联系,对于采用现场浇筑的桥梁,边跨取为中跨长度的0.8倍是经济合理的。跨越河道的桥梁宜布置为奇数孔。

截面形式:等截面连续梁,超静定结构的连续梁在恒载和活载作用下,支点截面负弯矩一般比跨中截面正弯矩大,但跨径不大时这个差值不是很大,可以考虑采用等截面形式,采取一定的构造措施予以调节,从而简化了主梁的构造使施工变得快捷。此外采用有支架施工,逐跨架设施工、移动模架法和顶推法施工的连续梁桥较多采用等截面布置。

主梁高度:预应力混凝土连续梁桥的主梁高度与跨径之比通常在1/15～1/25之间,标准设计中,高跨比约在1/18～1/19,当建筑高度不受限制时,增大梁高是比较经济的方案,可以节省预应力钢筋用量,加大梁高只是腹板加高,所以增大的混凝土用量有限。

细部尺寸:（1）顶板与底板。箱形截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位,其尺寸受到受力要求和构造两个方面的控制。箱梁顶板厚度应满足横向弯矩的要求和布置纵向预应力筋的要求。底板厚度应满足布置纵向预应力筋的要求。（2）箱梁腹板厚度。腹板的功能是承受结构的弯曲剪应力和扭转剪应力所引起的主拉应力。在预应力梁中,因为弯束对外剪力的抵消作用,剪应力和主拉应力的值比较小,腹板不必设得太大；同时腹板的最小厚度应考虑力筋的布置和混凝土浇筑要求,其一般设计经验为:a.腹板内无预应力筋时,采用20 cm以上；b.腹板内有纵向预应力筋时,采用30 cm以上；c.既有纵向又有竖向预应力筋时,采用38 cm以上。大跨度预应力混凝土箱梁桥,腹板厚度从跨中逐步向支点加宽,以承受支点处较大的剪力,一般采用30～60 cm,甚至可达1 m左右。

梗腋:在顶底板和腹板接头处须设置梗腋。梗腋的形式一般为1∶2、1∶1、1∶3、1∶4等。梗腋的作用是:提高截面的抗扭刚度和抗弯刚度,减少扭转剪应力和畸变应力。此外梗腋使力线过渡比较平缓,减弱了应力的集中程度。

悬臂:顶板两侧悬臂板的长度对活载弯矩数值影响不大,但恒载及人群荷载弯矩随悬臂长度近乎成平方关系增加,故悬臂一般不大于5 m,大于3 m时要布置横向预应力筋；同时箱梁悬臂翼缘板的长度确定还应注意桥面板正、负弯矩的相互协调,所以一般长度宜为1.5～2.5 m。在设计中采用长悬臂如蝶形箱梁时要考虑进去沥青摊铺时的振动荷载。

此外主梁应尽量采用一次浇筑混凝土、两端张拉预应力钢筋的施工方式（特别是对于腹板束由于比较长采用单端张拉其预应力的损失会比较大,影响钢绞线使用经济性）,主梁长度宜控制在120 m左右,当确实需要设置长分联时,可以采用分段浇筑混凝土、使用联结器分段张拉预应力钢筋的施工方案,设计时允许在同一截面全部预应力钢筋使用联结器连接,但对主梁截面及配筋应做加强处理。

对于匝道桥,为增大刚度、减小扭矩,有条件时尽可能采用墩梁固结或双支座形式；此时对其计算时也应上下部结构整体计算。如果匝道桥采用独柱支承,则该处横梁宜设计为预应力混凝土结构；坡度较大时,还应注意桥梁向下坡位移的潜在风险。

3 计算要点

计算内容:正常使用极限状态；承载能力极限状态；施工阶段验算。对箱梁各截面进行多种可能的荷载效应组合的受弯、受剪强度设计计算、应力验算、变形验算。计算时要考虑预应力产生的次弯矩的影响；采用混合配筋设置非预应力筋,提高结构在地震作用下的延性和能量吸收,有效分散受拉区裂缝,改善结构的受力性能,但纵梁计算中一般不考虑普通钢筋参与受力。施工时的荷载条件中,预应力荷载应按扣除第一批预应力损失后的有效应力来确定；其他荷载应根据施工阶段可能的最不利荷载情况来定；而施工时的支撑条件应考虑施工方案的具体情况来定,模板周转情况影响施工阶段结构分析模型的支撑条件与荷载条件的选取。设计步骤:进行结构布置,选取恰当的力学模型；根据工程的具体情况,选择合适的桥梁高跨比,初步选定构件的截面尺寸,并进行内力与组合效应的计算；根据杆件的弯矩分布图形确定预应力筋的索形；进行预应力损失和次应力的计算,验算预应力和挠度控制限值以及正常使用阶段的结构性能；按计算的各项控制结果,选择需要变动的参数进行修改,再重新计算。按计算对象来分主要有:纵梁计算、横梁计算、桥面板计算。计算中准确把握各种系数和各种概念,包括偏载系数、横向分布系数、冲击系数、有效分布宽度、单向板的荷载分布宽度等。

对曲线梁桥的计算要注意,其结构静力分析模型的建立应满足以下要求:（1）当扭跨所对应的圆心角φ≤5°时,可作为以曲线长为跨径的直线桥进行分析；（2）当5°＜φ≤30°时,弯矩及剪力可按直线桥进行分析,反力及扭矩需按空间程序进行分析；并且应考虑由于预应力、混凝土收缩、徐变及温度作用所产生的效应；（3）当30°＜φ≤45°时,所有截面内力均应按空间程序进行分析；（4）φ＞45°,除按空间程序分析外,还应考虑翘曲约束扭转的影响；（5）当采用具有相当抗扭刚度的闭口截面（如箱型截面）曲线梁桥,其扭转跨径所对应的（曲线梁段）圆心角小于12°时,可以按直线桥进行分析。对于第（5）种情况,要快捷高效计算一般可按桥梁博士软件的空间单梁模型进行分析,弯矩及剪力按直线梁计算,支座反力和扭矩按空间计算；并注意由于预应力的二次矩影响,会加剧两支座间的反力差；计算时尽可能加大两支座间距离,并设置适当的偏心值,减小支座间的反力差。对曲线箱梁还应注意:其跨度大于2.5倍截面核心宽度（不包括翼缘宽度）时,上部结构可按等效独梁计算；跨度小于2.5倍截面核心宽度时应采用空间梁格法分析。

对斜桥计算,斜桥的斜度（支承边或支座连线与桥梁轴线法线之间的小于90°）小于或等于30°时可用斜跨径按正桥计算,大于30°时应按空间程序进行分析。斜桥计算跨径取斜长,计算横截面尺寸取垂直断面尺寸。

4 抗震设计

抗震设计主要是针对下部结构,这对保证地震下连续梁的使用功能非常重要,所以要在此一并叙述。抗震体系有延性抗震体系和减隔震体系。延性抗震体系是依靠墩柱上形成的塑性铰耗能,支座连接装置需保持弹性。减隔震体系是依靠上下部连接处的减隔震装置耗能,墩身则需保持弹性。一般情况下,对于墩高较大、墩柱长细比较大的桥梁,墩身截面地震反应一般相比支座连接处更为不利,并且墩柱也更易形成塑性铰,一般宜采用延性抗震体系。而对于墩高较矮、墩柱长细比较小的桥梁,支座连接处的地震反应一般相比墩身更为不利,并且墩柱也较难以形成塑性铰,也就是说此时横向抗剪切钢筋的屈服要早于墩身竖向主筋的受拉屈服,一般宜采用减隔震体系。

当桥墩为实体墩或刚性墩、墩高相差较大,而桥址区的预期地面运动主要能量集中在高频段时,优先考虑减隔震体系。相反地,当地基土层不稳定,或原有结构的固有周期比较长,或结构位于软弱场地、延长结构周期可能引起共振,以及支座中出现负反力时,则不宜采用减隔震体系。

联与联之间的固定墩高度不要相差太多,这样会使各联的整体刚度和动力特性相差较大,对抗震不利。约束箍筋配置不足、纵向钢筋的搭接或焊接不牢均会引起墩柱的延性不足或剪切破坏,所以要重视箍筋的配置数量和纵筋的连接。保证墩柱和下部基础的整体作用也很重要。而防落梁等构造措施则可避免移位震害。

5 画图应用

当前的出图软件中,应用的比较多绘图效果比较好的软件,主要有桥梁设计师、方案设计师等。桥梁设计师数据输入比较直观,上手比较快,绘制单体结构很有优势。界面输入参数少、输入方式方便、图形辅助显示功能强大、用户界面友好,有强大的数据检查功能和先进的纠错功能。它能进行桥梁结构中的大部分常规构建,如连续箱梁、简支及简支变连续小箱梁、空心板、T梁等上部结构构建,钢筋（预应力）混凝土盖梁、柱式墩、肋板轻型桥台、U型重力桥台等下部构建,以及承台桩基础、扩大基础等的施工图设计。方案设计师则是一个综合性的软件,界面没有桥梁设计师来的直观,但功能非常强大,它需要输入大量数据,输入后可以生成各种图纸包括桥型布置图等,对绘制变宽变高箱梁,分叉箱梁、弯坡斜桥非常高效,实现了全自动化、智能化设计；上下部关联设计,上部的结构变化,下部结构智能适应调整。作为设计人员要利用好绘图软件,绘图软件是智慧的结晶,可提高工作效率,大量缩短绘图时间,以便把更多的精力放在设计上。

6 其他注意事项

（1）在作抗剪验算时,不仅仅要控制主拉应力的大小,而且要对控制断面作抗剪截面尺寸验算和抗剪承载力极限状态验算,才能确保结构的安全。

（2）在作主拉应力验算抗剪时,应充分考虑偏载引起的扭转和畸变剪应力,所以可考虑引入抗剪横向分布增大系数的概念；对独柱墩、特别是宽跨比比较大的结构,由偏载引起的扭转、畸变剪应力占相当高的比例,此时抗剪横向分布增大系数取值可大于纵梁的横向分布系数,以避免箱梁支点附近出现斜裂缝。

（3）在连续箱梁底板设置齿块时,最好使它布置在有足够压应力储备的位置,避免设置于箱梁断面接缝处,同时需根据具体情况,布置足够的纵向分布钢筋通过锚固断面,以防止局部应力使底板、腹板开裂。

（4）在变截面连续梁中布置底板钢束时,应尽可能靠近腹板布置,并根据受力要求（应计入径向力）配置足够的箱梁底板横向钢筋及防崩钢筋。竖向预应力钢筋尽量布置在腹板中心线上,有时为了便于纵向腹板钢束的通行,可将竖向钢筋对称于腹板中心线布置。

（5）大跨径预应力混凝土连续箱梁桥,在作用效用组合中考虑日照温度影响时,应注意对主跨跨中截面进行持久状况正常使用极限状态的正截面抗裂性验算,也应注意对中支点附近截面上靠近重心轴处的斜截面抗裂性的验算；而在持久状况的法向应力计算中,一般可不进行中间支点截面的计算,只需计算跨中截面。

（6）设计中除了根据计算结果配置钢筋外,还应重视构造要求包括经验性的常规做法。例如,直线连续箱梁跨径小于30 m的桥孔可不设跨间横梁,跨径在30～40 m的宜设一道,40 m以上宜设三道；曲线连续箱梁根据曲线半径、跨径大小确定跨间横梁个数。主梁、横梁钢筋关系:横梁钢筋设在外层,主梁钢筋设在内层；主梁与横梁交叉处,不设主梁箍筋,横梁箍筋沿横梁全长布置。吊筋宜同时勾住纵筋和箍筋布设......