预应力混凝土连续箱型截面梁桥设计技术探讨

2013-11-09罗玉强

山西建筑 2013年23期

关键词：单箱箱型腹板

杨鹏侯爽罗玉强

(1.四川农业大学城乡建设学院，四川都江堰 611800;2.四川农业大学商学院，四川都江堰 611800)

0 引言

预应力混凝土连续箱型截面梁桥因具有较强的刚度、变形小、受力性能好的特点，并且因伸缩缝少、行车舒适、造型简洁美观、养护简单、抗震性能强等优点而成为业主逐渐青睐的桥型之一。

1 立面设计

1.1 跨径布置

连续梁跨径布置一般采用不等跨的形式。若采用等跨布置，则边跨内力将控制全桥设计，极不经济。此外，边跨过长，削弱了边跨的刚度，将增大活载在中跨跨中截面处的弯矩变化幅值，增大预应力束筋数量。一般边跨长度可取为中跨的0.5倍～0.8倍，对钢筋混凝土宜取偏大值，使边跨与中跨控制截面内力值基本相同;对预应力混凝土连续梁宜取偏小值，以增加边跨刚度，减少活载弯矩的变化幅度和预应力筋的用量。中跨跨长与边跨跨长的比值与施工方法的选取紧密联系。对于现浇桥梁，边跨长度与中跨长度比值取为0.8，满足经济性的要求。对于采用悬臂施工法，由于有一段边跨需布置支架进行现浇，为满足结构内力变化的合理性，以及减少支架的工程量，根据国内外已经建成桥梁的经验，边跨长度与中跨长度比值取为0.55～0.65为宜。从结构受力来看，不等跨的连续梁的受力性能比等跨连续梁要好很多。但在某些特殊情况下，如由于施工要求，则需要采用等跨布置。当采用顶推法或先简支后连续梁施工方法对总长度很大的桥梁施工时，则可以从经济效益的提高来弥补因等跨结构受力性能不佳所带来的缺陷。故跨越江、湖、海湾的桥梁大部分采用等跨连续梁的布置方式。

1.2 桥梁线形布置

1)变高度梁。在恒、活载作用下，支点处出现较大负弯矩，从绝对值来看，支点处的负弯矩通常大于跨中截面的正弯矩。因此，为更好地满足桥梁不同高度处的内力变化，常采用变高度梁。而且变高度梁与环境更为和谐，并节约材料，增加桥下净空。变高度梁的截面变化通常采用的形式有抛物线、圆弧线和折线。由于二次抛物线的形式与连续梁的弯矩变化规律相似，故常用二次抛物线;为便于施工、简化桥梁构造，在中小跨径的桥梁中常采用折线形。

2)等高度梁。有时由于施工需要，如采用顶推法、移动模架法等，一般采用等高度梁。等高度梁的缺点是:在支点处较大的负弯矩只能用增加预应力筋的量而不能利用增加梁高的方法予以抵抗，材料用量增加，因而造价增大，但是构造简单、施工方便。一般用于如下情况:a.以40 m～60 m中等跨径为主的桥梁，采用该种形式，可以提高施工速度。并且由于跨度小，梁的截面的内力差异小，一般可以通过构造措施来满足。b.采用特殊的施工方法，如支架施工法、逐跨架设施工法。

1.3 梁高

连续梁桥的支点处主梁高度与跨径的比值通常取为1/15～1/25，而跨中截面处一般取为1/40～1/50。当建筑高度不受限制时，增加梁的高度往往是较经济的解决方案，因为梁的高度增大对混凝土用量影响不大，但预应力筋用量却能显著减少。连续梁在支点和跨中的梁高估算值见表1。

表1 连续梁在支点和跨中的梁高估算值

2 横截面设计

梁式桥横截面的设计主要是截面形式的布置与选择，主要包括主梁截面形式、主梁各细部尺寸、主梁间距。它与桥梁体系的立面布局、施工方法、审美要求以及经济性等因素密切相关。

2.1 截面选取

一般来说，目前预应力混凝土梁式桥的横截面形式主要有板式、肋梁式和箱型截面三种。从施工工艺来说，主梁横截面可分为整体式与组合式两类。

2.1.1 箱型截面优点

1)当横截面的核心距较大时，轴向压力的偏心距愈大，预应力钢筋合力的力臂愈大，可以充分发挥预应力的作用;

2)箱型截面为闭合薄壁截面，因其抗扭刚度大而对弯桥和采用悬臂施工的桥梁颇为有利;

3)因其具有较大面积的顶板和底板，故能有效地抵抗正负弯矩，并利于钢筋的布置;

4)具有良好的动力特性，以及收缩变形较小。已建成的跨度超过40 m的预应力混凝土梁桥中，横截面大部分采用箱型截面。

2.1.2 箱型截面形式

箱型截面常见的形式有:单箱单室、单箱双室、双箱单室、单箱多室、双箱多室等。单箱单室截面具有受力明确、施工方便、材料用量少等优点。

单箱单室和单箱双室截面，虽然对截面腹板和底板的尺寸影响较小，但是对顶板厚度的影响却比较明显。单箱双室式的顶板负弯矩通常比单箱单室式的负弯矩减少50%，而正弯矩则可减少70%。而且单箱双室式腹板总厚度增加，利于钢束的布置。

2.2 细部尺寸

2.2.1 顶板厚度

箱型截面梁顶板厚度主要由桥面板横向弯矩受力要求、纵向预应力束的布置以及横向受力钢束的构造要求三个方面的因素共同决定。其中横向弯矩受力的要求主要与腹板之间的距离和集中荷载大小有关。顶板厚度参考尺寸见表2。

表2 顶板厚度尺寸

2.2.2 底板厚度

箱型截面的底板作为承受结构弯矩的主要部位，受力和构造要求两个因素控制其尺寸大小。从连续梁跨中截面到墩顶截面，负弯矩逐渐增大，为满足连续梁的受压要求，底板厚度也应增大。

根据国内外已经建成桥梁的经验，墩顶处底板厚度一般取为梁高度的1/12～1/10;对预应力混凝土连续梁，跨中区段主要承受正弯矩，为受力以及满足底板需配置预应力筋和普通钢筋的要求，底板板厚一般取为200 mm～250 mm。

2.2.3 顶板两侧悬臂板

箱型截面梁顶板两侧悬臂板的长度是调节顶板内弯矩的重要因素。集中活载的纵向分布随着悬臂自由长度增加而增加，对弯矩的影响甚小。但是恒载及人群荷载弯矩随悬臂长度几乎呈平方关系增加，故在大悬臂状态时，宜设置横向预应力束减薄悬臂根部的厚度。悬臂长度一般取2 m～5 m，当长度超过3 m后，一般需布置横向预应力束。

2.2.4 腹板厚度

腹板具有承受截面剪应力和主拉应力的作用。在预应力箱梁中，腹板厚度比钢筋混凝土梁小，这主要是预应力束提供的预剪力抵消了一部分弯曲剪切力。但腹板的最小厚度应满足构造及施工要求，其设计经验为:

1)腹板中无预应力筋时，最小厚度为200 mm;2)腹板中布置预应力筋管道时，最小厚度为300 mm;3)腹板中布置锚头时，最小厚度为380 mm。

2.2.5 梗腋的设置

为提高截面的抗弯和抗扭刚度，减少扭转剪应力和畸变应力以及减少应力集中程度对结构的影响，使力线过渡比较平缓，在顶板和腹板接头处须设置梗腋。

通过设置梗腋，利用其所提供的有效空间布置纵向预应力筋和横向钢筋，大大减小了底板和顶板厚度。梗腋的布置形式一般为 1∶2，1∶1，1∶3，1∶4 等。箱梁顶部梗腋常采用 1∶3，底部梗腋多采用1∶1 或2∶1 ～3∶1，以利于浇筑底板混凝土。