浅谈预应力混凝土连续箱梁桥设计中的问题

浅谈预应力混凝土连续箱梁桥设计中的问题摘要桥梁设计是一项综合的工程，设计过程中会遇到一些问题，如桥位选择、桥面标高的确定、确定桥梁分孔、主梁截面选择、确定墩台基础形式、墩台基础埋置深度、结构尺寸的拟定，以及有关桥梁的其他问题，如主梁截面普通钢筋及预应力钢筋的布置、桥墩、桥台和桩基的配筋设计、桥面系的布置等。关键词桥梁设计，预应力结构，连续箱梁桥，总体布置，结构计算相对于简支梁桥，连续梁桥结构体系和受力特点具有明显的优势，其跨中正弯矩降低很多，同时支点出现负弯矩。混凝土材料耐久性较好，能够适应桥梁结构后期运营使用过程中产生的磨损，钢结构在使用过程中，应做好防腐措施，工程造价过高。在桥梁结构形式选择过程中，大多数设计单位会优先考虑混凝土连续箱梁桥，设计过程中遇到的问题，可以通过查阅桥梁规范，或者借鉴相似工程在设计过程中的经验取值，能够对设计具有指导作用。1.桥梁总体布置1.1桥位设计桥位的选择常与桥梁结构体系、原有或新建道路线形及周围环境等众多方面。桥位设计应能够保证原有或既定交通的正常运营，能够通过设计的洪水流量，满足通航要求，并与桥址周围的工农业、自然环境等相协调。桥位选择需要注意保护文物、保护生态环境，同时要注意尽量少占用耕地和农田，尽量做到对有意义及有价值的建筑物的保护。桥位确定后，应进行桥孔布置。桥孔的大小和长度，应与天然状态桥下河槽或河滩流量分配相协调，并能满足泄洪排沙的要求。桥孔的布置，应该针对不同桥位进行不同的设计，河槽稳定不会扩宽或河槽不稳定时，桥孔布置需考虑以上因素。桥孔布置后桥墩的选择也应满足一定的要求，尽可能小的减小对河流的影响，充分考虑桥墩阻水的影响。桥面标高的确定，应该根据该桥的使用要求进行选择，注意与既定道路之间的衔接。若桥面标高与既定道路高差过大，可以考虑设置引桥以克服高差。且河流通过设计水位时，须保证支座不受水流侵袭，同时还需要考虑桥墩阻水等各种因素引起的各类升高值，若桥梁结构有通航要求，还应该满足通航净空的要求。1.2结构形式结构形式的确定应遵循一般原则中的安全、适用、耐久、经济、美观这五项要求，所选择的结构形式应有足够的抗力，以抵抗各种可能的作用，包括偶然作用（如船撞、台风等）及地震作用。对于城市桥梁或标志性桥梁，同时应考虑美观，结构形式应尽量新颖，尽量保证与上下游河段的现有桥梁形式不相同。结构形式应尽量降低行车过程中的颠簸，故应尽量少的设置伸缩缝。主梁截面与墩台基础的形式需满足安全、适用、经济、耐久等要求，主梁截面的设计应进行技术经济性比较，尽量在保证安全的基础上，使桥梁的总造价降低，做到节约材料和环保。同时应考虑施工条件的影响，便于施工和缩短施工周期，仍须保证后期的检查和维修工作能够进行。墩台形式需要综合桥梁的结构形式、桥位地质情况和施工因素进行选择，重力式桥墩主要靠自身重量来平衡外力，一般采用天然石材或者是片石混凝土进行砌筑，因此适合于桥位周围石材丰富的情况，而空心桥墩是实体墩向结构轻型化发展的一种形式。当桥墩较高时，推荐采用空心桥墩，能够减小圬工体积，利于保护环境和节约材料。桥台主要起到过渡的作用，从桥梁过渡到道路，同时又有挡土的能力，因此在设计时要充分考虑桥台背后填土对于台身的影响。轻型桥台的特点是利用本身的抗弯性能抵抗各种作用，同时大幅度减小了圬工体积。结构尺寸的拟定应当满足现行的设计规范与技术标准，主梁截面考虑抗弯惯矩和抗扭刚度，设计为混凝土箱梁，为便于检修，设计为单箱单室。施工过程中，箱梁的底板将会产生很大的压应力，因此底板设计为变厚度板。顶板的厚度设计应满足两方面的要求，其一，考虑桥面在使用运营过程中的抗弯要求；其二，在正常使用过程中，顶板将承受负弯矩，应使预应力筋的平弯竖弯及锚固满足规范的规定。在横向布置多个支座时，可将箱梁看成连续梁，其顶板仍承受负弯矩，应设置横向预应力束。1.3墩台基础墩台基础尺寸的拟定应满足抗震规范所规定的尺寸和构造要求。墩台的尺寸应根据上部结构形式、支座布置、主梁的施工方法等要求而决定，悬臂施工连续梁时，桥墩尺寸应能满足支承0#块，且能够安装挂篮。根据规范要求，墩台顶帽下应设置加强钢筋网，除此之外其余部分仅设构造钢筋即可。支座的布置应与结构体系相适应，对于连续梁桥，为保证梁体在温度和收缩徐变的影响下，尽可能的产生较小的次内力。每联设置一个双向支座，其余均设置为单向支座，由于结构体系为连续结构，不限制梁体发生的转动，故不对转角进行约束，不设固定支座。支座垫石的尺寸、钢筋布置情况，应根据上部结构自重、支座尺寸及混凝土强度等因素进行确定。支座的设计应当与结构形式相协调，同一桥墩上的几个支座，竖向或横向转动刚度应相同或相近。对于可能发生不均匀沉降的地方，考虑设置高度不同的支座，便于后期发生沉降后能有效的处理。桥墩盖梁上方应根据抗震规范设计防落梁装置，如防震挡块等，且能顺应垂直桥轴方向的移动，能在地震发生时，将该构造受到的作用全部传递至下部结构，且构造本身不发生破坏。基础形式的选择需要结合桥位地质情况，当地质情况良好时，采用刚性或柔性扩大基础经验算强度和沉降后，满足要求即可采用，当采用扩大基础不能满足结构在强度和沉降方面的要求时，需采用桩基，桥墩及桥台基础形式可以根据地质情况作出不同设计。为保证结构的安全性，桩头均打入持力层，桩长根据实际地质情况进行设计，施工方法采用钻孔灌注桩与预制管桩相结合的方法，计算时满足m法地基系数和文克尔基本假定。1.4桥面附属设施桥面系的布置，查阅了有关伸缩缝的文献。伸缩缝是在主梁不连续之处设置的装置，该装置能够满足桥梁在温度或其他荷载作用下产生的变形，能够提高行车舒适性。伸缩缝应具有良好的整体性、强度和耐久性，同时应具有良好的排水和防水性能，否则容易导致伸缩缝对应桥墩上的支座发生腐蚀及破坏，对整个结构产生影响。其余附属设施，栏杆的选择应结合桥梁所处位置进行选择，公路桥梁栏杆的选择需具有足够的安全性、施工因素等，选择城市桥梁的栏杆形式应兼顾美观的要求。桥面铺装除防水层设置应满足规范要求外，还要考虑到在桥梁运营过程中铺装层的磨损。2.桥梁结构设计与计算2.1结构设计桥梁结构设计主要进行钢筋布置与截面验算复核。桥梁设计过程中，采用螺纹钢筋用来施加箱梁横向及竖向预应力，钢绞线主要做纵向主筋。预应力钢筋的选择应充分考虑，主梁截面形式，钢筋种类和标号等因素。同时在确定钢筋种类后，应选择与之匹配的锚具，确定适宜的张拉控制应力，然后根据钢筋截面积计算施工时的张拉控制力。在施工时控制油压表上的控制力不超过该值。主梁在自重及可变荷载的作用下，梁体发生下挠，严重时会使梁体发生开裂，危及整个结构的安全，预应力主筋的设计便是为了克服这种变形。选择预应力钢筋时，需注意首先根据抗裂要求进行预应力钢筋面积计算，根据预应力钢筋规范选择合适的预应力钢筋规格，预应力编束根数及截面通过的束数。然后计算束界，束界的作用就是保证预应力钢筋能够提供足够的预压力，在正常使用过程中减小挠度，同时不会使梁体产生过大的预拱度，导致上缘开裂。2.2结构计算结构计算主要包括以下内容：施工阶段内力计算、活载内力计算、次内力计算、短暂与持久状况下的验算、变形验算与预拱度设置、桥墩桥台、桩基设计与验算。施工方法采用悬臂浇筑法的桥梁，在进行边跨和中跨合拢前，结构处于T构状态，故应提前在墩顶设置临时固结，防止结构变为机动体系。计算过程中，需要注意几个关键的节点：边跨合拢段采用立模现浇，当边跨合拢段混凝土没有凝固受力时，合拢段及模板重量将由支架承担；中跨合拢段混凝土未凝固前，合拢段自重、模板等质量将由带悬臂的简支梁承担；体系转换的过程中，结构恒载不重复计算；梁部剪力的计算可以按照弯矩的计算方式进行。连续梁结构的活载内力计算和简支梁结构计算步骤相同，根据主梁截面形式不同，计算内容有所区别。箱梁截面在计算活载时，由于没有多片主梁，因此不计算荷载横向分布系数，采用偏载增大系数。计算时注意汽车荷载的选择，根据公桥通规，验算不同内容时，选择正确的荷载。连续梁设计为变截面，截面高度通过腹板高度进行调节，顶板厚度除加厚段外，其余均保持不变。梁高采用变截面时，结构内力变化情况与截面高度变化相似，内力影响线的形状将会比较复杂，建议借助桥梁电算程序进行。参考文献[1]叶镇国主编.水力学与桥涵水文[M].北京：人民交通出版社,1998.[2]高东光主编.公路桥涵设计手册－桥位设计[M].北京：人民交通出版社,2000.[3]姚玲森主编.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社,查新书1989.[4]江祖明,王崇礼主编.公路桥涵设计手册－墩台与基础[M].北京：人民交通出版社,1994.[5]叶见曙主编.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社,2001.[6]庄军生著.桥梁支座[M].北京：中国铁道出版社,2000.[7]徐岳、王亚君、万振江编著.预应力混凝土连续梁桥设计[M].北京：人民交通出版社,2000.[8]王昌将主编.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社,2004.[9]李扬海.公路桥梁伸缩装置[M].北京：人民交通出版社,1997.[10]王晓谋.基础工程（第三版）[M].，人民交通出版社，2003[11]张起森.公路施工组织及概预算[M].北京：人民交通出版社.1997.[12]公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)[S].北京：中华人民共和国交通部发布,2004.[13]公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2015)[S].北京：中华人民共和国交通部发布,2015.