预应力混凝土连续箱梁桥应力控制设计

孙永存

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166）

预应力混凝土连续箱梁桥应力控制设计

孙永存

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166）

应力设计是预应力混凝土连续箱梁桥设计的重要内容，文中以某高速公路A匝道桥为例，从预应力构件的类型、箱梁竖向梯度温度的作用等几方面介绍应力设计应注意的问题，并给出结论，为同类桥梁设计提供有益参考。

预应力；连续箱梁；应力控制

预应力混凝土连续箱梁桥使高强度材料得以充分发挥，对河流、道路具有良好的跨越能力，对复杂道路线型具有良好的空间适应性，所选用箱梁截面具有可靠的强度、刚度以及抗裂性能，在施工和使用过程中具有良好的稳定性，在大、中桥梁建设中得到了广泛应用［1］。

与钢筋混凝土连续箱梁桥不同，确定了箱梁截面、桥梁跨径以及外部荷载以后，箱梁结构的内力状态还要受预应力钢束配置情况的影响，即便是相同的钢束根数，不同的钢束线型也会引起截然不同的内力状态，由内力决定的应力状态也就具有一定的不确定性。应力控制设计作为预应力桥梁设计的一个重要环节，是保证桥梁后期良好运营的关键。本文以辽宁省新民至铁岭高速公路腰堡北立交A匝道桥为实例，以钢束调整作为贯穿全文的主线，介绍预应力混凝土连续箱梁桥应力控制设计需注意的一些问题。

1 工程简介

新民至铁岭高速公路路线全长75km，A匝道桥上跨国道G102，上部采用三跨预应力混凝土连续箱梁，孔跨布置为30+35+30m，箱梁断面如图1所示：

图1 箱梁横截面尺寸图 （cm）

2 影响因素

预应力混凝土连续箱梁应力设计，确保施工阶段、使用阶段箱梁顶底缘应力满足规范的前提下，应力分布尽量均匀，使用阶段受弯构件正截面混凝土的压应力偏大、全预应力混凝土构件在频遇组合下箱梁截面压应力数值偏小等，应力控制效果均不好。影响应力分布的因素很多，本文重点考虑3个方面：

（1）预应力构件类型；

（2）竖向梯度温度；

（3） 支座沉降。

3 应力控制设计

3.1 预应力构件类型

桥梁设计以规范为准，各项指标需满足规范相应标准，本文依据 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTG D62-2004）》 （以下简称04规范）对该桥进行全预应力混凝土构件设计，频遇组合作用下箱梁顶底缘的正应力包络计算结果如图2（全桥应力基本对称，仅给出部分控制断面结果）。

图2 全预应力状态正应力包络图 （MPa）

保持原有钢束线型及外界荷载不变，仅调整计算文件中构件类型为A类构件，计算结果如图3所示。

图3 A类状态正应力包络图 （MPa）

对比两图可以看出，由全预应力构件调整为A类构件后，箱梁顶底缘的最大正应力计算结果完全一致，原因在于04规范7.1.5条关于两种构件最大正应力的计算公式一致［2］。

箱梁顶底缘的最小正应力有所区别，除墩支点底缘外，A类构件箱梁截面的压应力数值均大于全预应力构件。原因在于，调整为A类构件后钢束在箱梁截面产生的压应力数值不再作20%折减 （04规范 6.3.1条），频遇组合后 A类构件（除桥墩支点附近截面外）箱梁截面的压应力数值有所增加。墩支点底缘截面压应力数值变小，原因在于，剔除钢束作用，在荷载作用下，墩支点处箱梁截面为负弯矩作用，支点处钢束基本从箱梁顶缘通过，使得墩支点处箱梁底缘产生拉应力。调整为A类构件后，不再作20%折减，因此，墩支点处箱梁截面底缘压应力数值变小。

另外，调整为A类构件后，跨中截面底缘压应力数值增加值大于截面顶缘，原因在于钢束基本从底缘通过，应力折减的 “基数”大于截面顶缘。

3.2 竖向梯度温度

竖向梯度温度作用，在箱梁截面顶底缘产生附加应力，依据 《公路桥涵设计通用规范JTG D60-2015》4.3.12条计算，如表1所示。

表1 墩支点处箱梁截面温度应力 （MPa）

梯度温度作用对连续箱梁的应力设计起到一定控制作用，由表1可知：

（1）采用10cm沥青混凝土铺装时，墩支点处箱梁顶缘产生的拉应力达到-2.9MPa，远大于汽车活载-1.3MPa的拉应力；

（2）竖向梯度温度对截面顶缘的影响大于截面底缘；

（3）随着沥青混凝土铺装厚度的减少，截面顶底缘的温度应力逐渐增加。

应力设计时，单纯采用增加钢束或上移钢束克服墩支点截面顶缘拉应力，相应引起截面顶缘最大正应力增加，或许不满足规范关于受压区混凝土最大正应力数值的要求，应力控制效果不理想。所以，应力设计首先应合理选择铺装层的类型及厚度。

3.3 基础沉降

连续箱梁为超静定结构，基础不均匀沉降在箱梁截面顶底缘产生附加应力，如表2所示。

表2 不均匀基础沉降墩支点处箱梁截面应力 （MPa）

由表2可知，截面顶、底缘应力随沉降数值线性增加，应使各桥墩基础位于均质岩层，尽量控制桥梁基础不均匀沉降数值最小；同时，不均匀沉降对截面底缘的影响大于顶缘，桥位处地质条件差，不均匀沉降难以避免时，可于箱梁底缘适当增加钢束根数。

3.4 其它需认识的问题

（1）整体现浇预应力连续箱梁通过截面尺寸调整、钢束布置调整等方式，可尽量减少截面顶底缘的拉应力数值，直至全桥均不出现拉应力，然而却难以消除主拉应力。原因在于，该类连续箱梁通常按平面杆系计算，不考虑空间效应，箱梁受力状态可假定为平面应力状态，主应力极值分别为：

其中，σx、σy分别为沿桥梁纵向及铅垂方向的应力，由于整体现浇连续箱梁通常不设置竖向预应力钢束， 竖直应力 σy≈0， 也就有 σmax×σmin≈-τ2x≤0，又τx一般不为0，因此，整体现浇连续箱梁仅配置纵向钢束时，主拉应力必然存在。

（2）主拉应力控制设计时，常常出现一种结果，全桥主拉应力均能满足规范要求，但墩支点两侧腹板变宽区域的箱梁主拉应力数值偏大，如图4所示。

图4 全桥主拉应力图 （MPa）

鉴于本桥箱梁采用C50混凝土，墩支点两侧主拉应力满足规范不大于1.06MPa的要求，然而1.02MPa、0.91MPa的主拉应力与主拉应力限值较为接近。与墩支点不同，墩支点两侧腹板变宽区域为空心截面，主拉应力偏大易导致腹板产生竖向裂缝，图4的应力控制结果不尽理想。

主拉应力偏大，或许是正应力引起，或许是剪应力引起。本文通过钢束调整，频遇组合作用下，箱梁顶底缘的最小正应力均能满足规范要求，且控制结果较好，如图2所示，因此，引起墩支点两侧主拉应力偏大的原因是剪应力偏大。恒载、活载及钢束起弯角均是引起剪应力的主要因素，恒载、活载的共同特点是在墩支点处引起剪应力极大值，墩支点两侧剪应力相对较小，并且恒载、活载确定以后，引起的剪应力数值也是确定不变的；钢束通常在墩支点两侧上弯及下弯，钢束起弯角引起的剪应力极值出现在墩支点两侧，墩支点处剪应力接近于0。

综合考虑墩支点处箱梁截面因梯度温度、支座沉降引起的正应力偏小的因素，该截面主拉应力相对其它截面偏大是不可避免的，又鉴于墩支点处截面为实心截面，主拉应力计算结果在满足规范要求的前提下接近限值可以接受。钢束起弯角是引起墩支点两侧主拉应力偏大的直接原因，可通过调整钢束起弯角来改善应力控制结果，如图5所示，而调整后的正应力计算结果改变并不明显，能较好地满足规范要求。

图5 钢束起弯角调整后全桥主拉应力图 （MPa）

（3）前文给出了墩支点两侧主拉应力偏大的调整办法，墩顶箱梁顶底缘正应力设计也是全桥应力控制设计的难点，频遇组合下常常会出现图6中 （a）所示的应力状态，即墩顶箱梁底缘的压应力储备虽然较大，墩顶箱梁顶缘却出现了拉应力。通常调整钢束的办法是墩顶处箱梁内部钢束整体上移，以增加箱梁顶缘的压应力储备，实际操作时却难以达到理想的效果。第一，墩顶处箱梁内部钢束大多从箱梁顶缘通过，钢束整体上移空间有限；第二，墩支点两侧底缘有可能因此而产生拉应力；第三，钢束整体上移引起墩支点两侧钢束起弯角变化，将会导致墩支点两侧主拉应力偏大。

图6 墩顶及附近区域箱梁顶底缘正应力图 （MPa）

本文采取的办法是不改变钢束距箱梁顶底缘的距离，而向墩中心线处整体平移钢束起弯段，如图7所示，实现减小墩顶钢束直线段长度而不改变钢束起弯角的调束状态，调整后的应力状态如图6中 （b）所示，墩顶箱梁底缘的压应力储备减少，箱梁顶缘出现了一定的压应力储备，箱梁顶底缘的应力分布趋于均匀；墩支点两侧箱梁顶缘的压应力储备减小，箱梁底缘的压应力储备增加。因此，平移钢束起弯段后，墩支点处箱梁顶底缘应力表现为整体 “上移”，墩支点两侧箱梁顶底缘应力表现为整体 “下移”，箱梁内正应力分布更加合理。

图7 墩顶钢束平移示意图

需要提及的是，平移钢束起弯段后，由于钢束起弯段更加靠近墩中心线，克服了较多的恒载剪力，墩中心线两侧箱梁内主拉应力在钢束平移后得以改善，调整前、后箱梁内主拉应力如图8中 （a）、 （b） 所示。

图8 墩顶及附近区域箱梁主拉应力图 （MPa）

4 结语

应力设计为预应力混凝土现浇箱梁最核心的设计环节，应重点考虑预应力构件类型、竖向梯度温度以及基础沉降几方面因素，文中以新民至铁岭高速公路A匝道桥为例，介绍了预应力混凝土现浇箱梁应力设计过程中经常出现的应力状态，分析原因并给出解决办法，供同类桥型设计参考。

［1］范立础．预应力混凝土连续梁桥 ［M］．北京：人民交通出版社，2001.

［2］中华人民共和国交通部．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG D62-2004［S］.北京：人民交通出版社，2004.

Stress Control of Prestressed Concrete Continuous Box Girder

SUN Yong-cun

Stress control of prestressed concrete continuous box girder is an important link in designing process.This article takes A-ramp bridge of Xinmin-Tieling Highway as an example,presents some problems which should be paid attention to in designing process from component types,gradient temperature effect,and so on,and gives the relevant conclusion.

prestressed,continuous box girder,stress control

U442.5；U448.35

B

1008-3812（2017）02-004-04

2017-02-02

孙永存 （1982— ），男，辽宁沈阳人，硕士，工程师，一级注册结构工程师。研究方向：桥梁设计。