沙 嵩

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

预应力混凝土连续箱梁以其自身具备的诸多特点，在桥梁工程项目建设中得到广泛应用。为确保此类桥梁的结构安全性和稳定性，并进一步延长使用年限，应当对结构加以合理设计。具体设计时，应当对各方面因素加以充分考虑，并选择适宜的计算方法，确保设计质量。

1 工程概况

某公路桥梁工程项目为互通立体式交叉桥，一期工程主要是三座匝道桥建设，其中A匝道桥的上部结构为预应力混凝土连续箱梁，下部为柱式墩，基础为钻孔灌注桩基础。工程所在地为大陆性季风气候区，春季风大、夏季多雨，最大风速为20m/s。由于匝道桥的质量与设计密切相关，故此必须保证结构设计的科学性与合理性。

2 预应力混凝土连续箱梁桥梁结构设计

2.1 设计计算的主要内容

在预应力混凝土连续箱梁的设计过程中，主要的计算内容包括以下方面：结构内力和次内力、内力组合、预应力钢束的计算、强度及应力等。计算完毕后，要对以下方面进行验算：承载力极限状态正截面以及斜截面的强度、投用后混凝土和钢束的应力等。

2.2 计算方法与过程

2.2.1 结构内力

预应力混凝土连续箱梁的结构内力由两个部分组成，分别为恒载内力和活载内力，具体的计算方法如下：

（1）在预应力混凝土连续箱梁结构中，内力计算结果对施工方法的选择具有指导作用，如满堂架和悬臂浇筑两种施工方案的恒载内力不同。当内力计算结果存在偏差时，会影响到后续施工方法的选择，容易引起工程质量问题。所以要保证恒载内力的计算结果正确无误。可以将内力与施工方法紧密联系起来，确保得出的内力结果能够为施工提供指导。与悬臂浇筑施工法相比，满堂架施工法的应用优势更加明显，在本次内力计算中，以满堂架施工法为依托，建造连续箱梁时，不需要进行结构体系转换，可一次性完成。按照连续箱梁的结构力学特征对恒载内力进行计算。

（2）在计算预应力混凝土连续箱梁结构的活载内力时，需要明确该内力的形成原因，它是桥梁投入使用后，在可变荷载的作用下产生的结构内力。桥梁投用必须在建成之后，即整个结构已经形成的连续箱梁，此时计算活载内力无需考虑施工方法，计算图式更加简单。预应力混凝土连续箱梁归属于超静定结构的范畴，将影响线作为活载内力计算的基础，通过结构力学的方法能够准确计算出影响线，具体的计算方法如下：对预应力混凝土连续箱梁结构中的主梁或是主肋的荷载横向分布系数加以计算，以最不利的分布系数为依据，对内力影响线进行确定；用荷载与最不利横向内力分布系数相乘，然后在箱梁纵向最不利的位置处对得到的荷载进行加载，得到的结果即活载内力，包含一个正值和一个负值。

2.2.2 次内力计算

（1）预应力混凝土连续箱梁作为超静定结构，在其上施加预应力的过程中，会引起梁体变形，而支座会对变形产生约束，支座上便可能产生出次反力，受到该反力的作用，预应力混凝土连续箱梁结构中便会产生次内力。通过结构力学中的力法可以计算出连续箱梁的次内力。对连续箱梁的次内力进行计算时，应当充分考虑预加力所引起的次内力。

（2）计算预应力混凝土连续箱梁徐变收缩产生的次内力时，要先明确徐变收缩的特点及其对箱梁的影响。徐变收缩是混凝土所产生的现象，当应力处于不变状态时，在荷载作用下，应变持续增长会形成徐变；混凝土体积缩小即为收缩，徐变收缩会导致混凝土变形，基本上都是出现在桥梁建成投用阶段，并且会长期持续发生，容易导致内力重新分布，对预应力混凝土连续箱梁的稳定性和安全性造成不利影响，具体体现如下：连续箱梁中关键的结构配件，如预应力混凝土、钢筋混凝土等，随着时间推移产生徐变收缩，在配筋的约束下，内力可能会出现重新分布的状况；预制箱梁或是现浇箱梁在混凝土徐变收缩作用下，会引起内力重新分布。

（3）预应力混凝土连续箱梁以混凝土作为主要材料，当温度发生变化时，会对混凝土产生一定的影响，所以需要计算温度变化引起的次内力。计算前，有必要明确温度对连续箱梁的影响，具体如下：桥梁采用的材料为钢筋和混凝土，由此使桥梁具备热胀冷缩的属性，暴露在大气环境中的桥梁不可避免会受到温度变化的影响，即温差对混凝土结构的影响。年温差会引起连续箱梁内温度次应力，而局部温差的影响体现在水化热上。现行公路桥梁规范指出，桥面板在日照作用下产生的温度变化与腹板两侧的温差并不是很大，计算温度应力时，不需要考虑该温差的影响。

2.3 具体算例分析

2.3.1 连续箱梁设计资料

A匝道桥共有两联，跨径为2×（3×26）m，荷载等级为公路Ⅰ级，桥面行车道的宽度为7.0 m，桥梁两侧护栏底座的宽度均为50cm，混凝土的强度等级为C50，为高强度混凝土。

2.3.2 箱梁横断面布设

本工程中，A匝道桥的横断面布设情况如图1所示。

图1 A匝道桥横断面布设情况示意图

A匝道桥跨中位置处的顶板、底板、腹板的厚度分别为25cm、22cm和40cm；支点位置处的顶板、底板及腹板厚度分别为35cm、32cm和60cm。铺装层位于主梁顶部，厚度为8.0 cm。

2.3.3 主梁荷载分布系数的计算

（1）主梁的荷载分布系数的计算过程中，需要下划分梁肋。本工程中预应力混凝土连续箱梁桥的横断面按照单箱单室进行设计，划分为两片主梁，按中心线对各片的顶底板进行划分。

（2）为使计算过程得以简化，采用如下计算方法：预应力混凝土连续箱梁结构支点位置处的横向荷载分布系数可通过杠杆法计算，计算过程中，不需要考虑箱梁的抗扭影响。利用修正刚性横梁法计算箱梁跨中横向荷载分布系数，计算时，要充分考虑抗扭的影响。跨中横向荷载分布系数计算方法在连续箱梁中应用时，要转换刚度，具体的换算系数如下：边跨的抗弯刚度换算系数为1.429，中跨为1.818。主梁支点和跨中界面的抗弯惯性距如表1所示。

表1 主梁支点与跨中截面抗弯惯性矩

（3）在支点位置处对两片梁进行分割之后，梁间距为3.0 m，对主梁荷载横向分布的影响线及车列布置情况如图2所示。

图2 荷载横向分布影响及车列布置示意图

依据相关计算公式，带入具体数值，可计算出横向分布系数为1.026 ；单片梁汽车荷载横向分布系数为1.033 。据此可计算出边跨跨中和中跨跨中的荷载横向分布系数，分别为2.052 和2.065 。

2.4 有限元模拟

利用有限元模拟的方法，对预应力混凝土连续箱梁结构设计的合理性进行分析，按照实际布设情况，对桥面系进行单元划分，共分为87个单元和88个节点。一期恒载的计算结果为114.933 kN/m2，二期恒载的计算结果为23.88 kN/m2。本工程中，活载内力等级按照公路Ⅰ级进行计算，采用的是荷载横向分布系数，依据现行JTG D60规范标准的规定要求，以车辆荷载对连续箱梁结构进行计算。构成车辆荷载的均布和集中荷载分别为10.5 kN/m2和264kN。在连续箱梁上，可按照集中荷载移动时的情况，绘制出各个节点的影响线，据此对最不利位置处产生的内力加以计算。通过正截面强度验算后，得出如下结果：边跨跨中的承载力设计值富余量最小，与连续箱梁的结构设计要求相符；法相压应力为9.7 MPa，符合结构设计要求；对该桥梁投入使用后的混凝土应力进行验算，计算结果如下：极限压应力为16.2 MPa，在标准组合条件下的最大法向压应力为9.7 MPa，可以满足要求；对该桥梁使用阶段的钢束进行验算，在钢束作用下产生的梁体内力如图3所示，具体的计算结果如下：极限拉应力为1209MPa，钢束在标准组合条件下的最大拉应力为1181MPa，小于极限拉应力，满足要求。

图3 预应力钢束作用下的梁体内力分布示意图

3 结束语

综上所述，预应力混凝土连续箱梁结构设计是一项极为复杂的工作，对设计人员的专业水平要求较高。为达到预期中的效果，要结合工程实际，选择适宜的计算方法，确保计算结果的准确性，通过有限元模拟，对计算过程进行验证，为结构设计提供支撑。未来一段时期，要加大对连续箱梁桥结构设计方面的研究力度，对设计和计算方法进行改进，使其逐步完善，更好地为桥梁设计服务。