山区PC梁桥工程设计研究

中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075

在桥梁建设过程中经常遇到地形起伏的情况，我国针对这种情况最常采用的结构是PC梁桥。PC梁桥是指预应力混凝土梁桥，该梁桥采用的材料是普通混凝土，通过给梁桥施加预应力形成PC梁桥[1]。这种结构具有强度高、抗弯性能好等特点，被广泛应用于桥梁建设。我国PC梁桥的建设主要集中在西部地形较陡、起伏较大的地区[2]。该梁桥的广泛应用有利于缩小东西部的发展差距，促进地域沟通。故结合我国地理环境特征分析，PC梁桥的设计具有重要的意义和价值。然而我国PC梁桥设计水平还有待提高，对于PC梁桥的认知还有待补充，为此，文章主要针对PC梁桥的设计进行研究，为我国桥梁建设提供理论依据。

1 PC梁桥的设计原则及流程

PC梁桥的组成与普通桥梁相同，可以分为上部结构、下部结构、支座系统、附属设施。按材料分类可以分为钢筋混凝土梁桥、预应力混凝土梁桥、钢桥、组合梁桥[3]。

由于桥梁所处的地理环境不同，因此设计过程中的侧重点也不同。山区桥梁所处的地理环境复杂，设计的重点应主要集中在下部结构，主要是桥台和基础的设计，需要全方位、多因素考虑。下部结构的设计会直接影响上部结构，当下部结构土质较松软，需对土体进行相应处理时，应对上部结构进行加固，同时做好桥与路、桥与隧道的连接。

1.1 设计原则

随着我国经济的发展，科学发展观的继续深化，以及资源节约型与环境友好型社会的建立，人们的环境保护意识越来越强。在山区桥梁建设过程中应尽可能减少对原地形地貌的破坏，要因地制宜，做到公路桥梁与自然环境的和谐统一。因此，在桥梁建设过程中应遵循技术先进、安全可靠、适用耐久、经济美观的原则，做到保护环境与可持续发展。

1.2 设计流程

在PC梁桥的设计过程中应遵循以下流程：首先对PC梁桥进行参数确定；然后确定边界条件建立微分方程，对桥梁进行区域划分，分节分析；最后利用微积分原理进行计算，对问题细化求解，达到对桥梁进行单元节点分析的目的。在山区PC梁桥的设计中应注重以下内容。

（1）由于地质条件的限制，在山区PC梁桥建设过程中，应做好前期桥位的地质勘探。相比非山区梁桥，山区梁桥设计的重点在下部结构，因为下部结会影响上部结构的强度、可靠度以及桥梁整体结构。因此，在山区PC梁桥建设过程中应重视桥位的选择。

（2）在山区PC梁桥的设计过程中应重视与自然环境以及相连构造物的协调统一。例如，设计时应注意与道路以及隧道连接，保证桥梁与道路的高程一致，从而避免出现桥头跳车现象。要保证桥梁与隧道的连接，保证二者的协调性以及高程一致。

（3）在山区桥梁建设过程中应注重桥位与自然环境相融合，尽量采用材质轻、占地少的桥台，减少对原有地面的开挖量，保护生态环境。

（4）山区PC梁桥多采用悬臂现浇的施工方法，由于受环境以及温度变化的影响较大，因此要保证施工质量和精度，加强施工监控。

2 PC梁桥设计分析

2.1 方案比选

由于PC梁桥的设计过程中会受到众多因素的影响，因此需进行方案比选。每种方案受地质条件约束越大，则对基础要求越高，受地理环境的影响也越大。

地质条件：桥梁线位受断层F1影响，桥梁主跨有岩溶发育；受断层F2的影响，桩位岩石呈砾状，岩石裂隙发育，岩体较破碎。

地理环境：文章案例桥梁线位处于地理环境较为复杂的山区，线位经过段有沟涧、水田以及地下河等，桥梁一端与隧道相接。

桥墩高度：案例桥梁的主墩高度多为60～110m，桥墩较高。

通过对以上地质条件、地理环境、桥墩高度等的综合分析，文章选择以主墩为空心墩的PC连续刚构桥。

2.2 桥梁总体概况

研究采用的是PC连续刚构桥，设计荷载采用公路-Ⅰ级，桥面净宽为23.5m，设计洪水频率为1/300，孔径分布65m+3×120m+65m。桥梁的截面形式为单箱单室的变截面，桥梁主墩为空心墩。主墩高度分别为83m、106m、96m、60m。

2.3 建立模型

永久作用：永久作用中一期恒载为箱梁结构；二期恒载取值为65kN/m，预应力采用钢绞线fpk=1860MPa，Ep=1.95×105MPa。

可变作用：汽车荷载采用公路-I级，温度作用取值时体系升温和降温按25℃计算，主梁梯度温差按照桥梁规范规定进行计算，升温梯度T1为14℃、T2为5.5℃；降温梯度T1为-7℃、T2为-2.75℃

作用组合：（1）恒载；（2）恒载+汽车荷载；（3）恒载+支座沉降+汽车荷载+升温梯度+体系升温；（4）恒载+支座沉降+汽车荷载+降温梯度+体系降温。

文章结合桥梁自身结构特点以及有限元计算软件的特性采用《桥梁博士》软件对上部结构和下部结构进行计算分析；用Midas软件对桥梁进行屈曲稳定性的分析等。此次模型建立过程中梁单元共建立308个、节点331个。有限元模型如图1所示。

图1 PC梁桥模型图

2.4 模型分析

（1）自振特性。通过有限元建立的模型进行桥梁的自振特性分析，前四阶振型结果如表1所示。通过对桥梁前四阶的自振特性进行分析可以看出，PC梁桥采用高墩结构时，因为高墩结构的柔性较大，刚度较小，所以振型主要表现在上部结构。前两阶主要是桥梁横向和纵向的偏移，而三、四阶主要出现的是扭转。

表1 桥梁自振特性

（2）屈曲稳定性。在桥梁自身重力、桥面铺装荷载、预应力的作用下，对桥梁结构进行屈曲稳定分析，结果如表2所示。由表2可知，前四阶的屈曲模态主要表现为高墩屈曲，这说明高墩的刚度对屈曲稳定系数的影响较大。

表2 桥梁屈曲稳定性

2.5 上部结构计算

（1）正常使用状态抗裂验算。通过有限元建立的模型进行桥梁在短期效应组合下的抗裂验算，最终得出的结果如表3所示。由表3可得，PC梁桥在短期效应组合下的抗裂验算满足要求。同理对正常使用状态下的应力及挠度进行验算，最终结果显示PC梁桥的应力和挠度均满足要求。

表3 PC梁抗裂验算表

（2）极限承载状态抗剪验算。通过对PC梁桥主梁在极限承载状态下斜截面抗剪性能进行验算得到以下结果：在梁桥墩顶位置的最大剪力为-20220.6kN，抗剪强度为-39704.1kN。因此斜截面抗剪强度满足要求。

3 结论

（1）依托我国某PC梁桥进行模拟计算分析可得，PC梁桥采用高墩结构时，梁桥自振特性前两阶时主要是桥梁横向和纵向的偏移，而三、四阶时主要出现的是扭转。在屈曲稳定性验算时PC梁表现为高墩屈曲，说明高墩的刚度对屈曲稳定系数影响较大。

（2）对桥梁上部结构进行了验算，结果显示，PC梁桥在正常使用状态下的抗裂性能，以及在极限承载状态下的斜截面抗剪性能均满足要求。

综上所述，文章对实际工程进行模拟分析以及上部结构计算，最终计算结果表明该梁桥设计合理。