预应力混凝土连续箱梁桥设计分析

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前言

预应力连续梁具有外形美观、整体性能好、施工方便以及抗震性能好等特点，尤其是在行车舒适度方面显示出了高度的优势。另外，这种桥型在设计和施工方面都具有较为成熟的技术，并且建成后的养护工作量也较小，所以在公路、城市和铁路桥梁工程中运用地很广泛。

1 预应力连续箱梁的设计理论

在设计桥梁时，不仅要对桥位所处的地理环境以及周边环境进行调查，还要对桥型的特点、施工材料和技术等相关知识了如指掌，这样才能够在各种极限的状态下保证施工的可行性和安全性。当然，除了技术上的指标之外，还要考虑桥型的经济性和艺术性。其中，对桥型的布置和构造是预应力混凝土连续箱梁设计的关键步骤，其成果决定了桥梁设计的成败。

1.1 桥型布置

桥型布置分为两个方面:平面布置和立面布置。其中平面布置与路线的方向和河流或者是与被交线路的夹角、桥位所处位置的地质和地形等因素有关系。常见的布置方式有正交、斜交、反向曲线以及单向曲线等。正交桥梁的伸缩缝和墩台与主梁中线垂直，这是最简单的布置方式;斜交桥梁在满足行车和宣泄洪水的前提下，既可以与主梁中线垂直，也可以斜交;曲线桥梁的伸缩缝和墩台方向通过径向布置，目的是便于内力分析。

1.2 构造设计

(1)桥梁横截面设计。截面形式主要是根据桥梁的跨径、梁高、宽度、总体布置、支撑形式以及施工方法等多种因素综合确定。主梁的截面形式的选择对施工、经费以及桥梁的自重和截面的受力性都有影响。

预应力桥梁常采用横截面形式有板式、肋梁式和箱型式，较前两种，箱行式的优点是抗弯性能和抗扭性能较强。另外，箱形截面没有固定的结构，适合支架现浇、悬臂施工等施工方式。箱形截面又可以分为多种形式，常见的单箱单室桥宽不超过18m，双箱单室桥宽要达到20m，而单箱双室桥则要高达25m。

以箱行截面为例，叙述如何确定出底板、顶板和腹板的细部尺寸。负弯矩越大，箱梁底板厚度就要越厚，直到根部，所以根部底板厚度通常是根部梁高的1/10～1/12，跨中底板厚度通常是200～250mm。此外，在确定箱行截面顶板的厚度时，还要考虑桥面横向弯矩和纵横向预应力钢筋布置两个因素。

箱形截面顶板两侧的翼板可以调节顶板内弯矩，通常翼板的长度是腹板间距的一半。在配置横向预应力筋时，翼板要尽可能地向外伸展。腹板的作用是承载截面剪力和主拉应力。对于预应力连续梁桥，弯束对荷载剪力的作用可以降低梁内剪应力和主拉应力。除了受力因素，还要考虑预应力钢筋的布置和在混凝土浇筑后箱梁腹板的厚度，这个厚度要根据预应力束管道布置的情况而定。如果布置了预应力束管道，厚度为25～300mm，否则厚度为200mm。

在箱梁细部构造中，也要思考承托的形式和尺寸。承托对截面的抗弯刚度和抗扭刚度有一定的加强作用。承托所提供的空间方便了纵向预应力筋和横向预应力筋的布置，在保证构造稳定的前提下，降低了顶板和底板的厚度。

(2)横隔梁的设计。箱梁横隔梁可以提高截面的横向刚度，但是为了满足构造的稳定需求，在支点处设置横隔梁的同时还要适当地设置中横隔梁，单箱单室截面除外。至于多箱截面，要在箱间设置较多的横隔梁。对于使用顶推法施工的箱梁，可以临时设置横向连接，完工后再浇筑支点横隔梁。

配筋形式与箱梁的支承方式决定了支点处横隔梁的大小。如果支承是在梁腹板的下面时，只要在横隔梁中配置一些普通的钢筋即可，横隔梁肋的宽度设置在300－500mm之间。

2 预应力连续箱梁设计的要点问题

2.1 抗剪问题

一是没有对桥梁的抗剪极限强度和抗剪截面尺寸进行验算，错误地用主拉应力的验算替代。箱梁腹板尺寸主要是由抗剪极限承载能力决定的，即使主拉应力符合规范，但是在正常使用中的极限状态下，抗剪截面尺寸也许会无法满足规范，会导致斜裂缝。

二是通过增加腹筋的方式来满足主拉应力和斜截面抗剪强度，没有对抗剪截面尺寸进行验算。虽然我们可以根据抗剪公式配置腹筋，从而使得抗剪能力得到提高，但是实际上，抗剪钢筋的配筋率达到一定程度时就不会再对抗剪能力起到提高的作用。同时满足截面尺寸小和斜裂缝变宽的情况下会出现斜压破坏现象。所以应该是通过加大截面尺寸的方法以提高抗剪能力，而不是增加钢筋。

三是设计者将预应力连续箱梁的抗弯横向分布增大系数与抗剪横向分布增大系数相同化，导致了腹板出现了斜裂缝。在下部使用独柱墩，会在偏转力的影响下出现扭转和变形。

2.2 齿板锚后拉应力问题

通常跨径大的预应力连续箱梁底板处设置齿板，尤其是当跨径在40～60m之间。在这种情况下，腹板的抗剪能力会被降低，从而会使结构得到破坏。

如果想要避免这种裂缝的出现，在设计中要注意以下几点:

(1)在相同的断面中，不能将锚固的预应力钢束吨位设置过大;

(2)要在锚固断面底板设置一些压应力储备，尽可能地避开拉应力区设置锚固预应力钢束;

(3)因为连接处比较薄弱，所以最好的做法是保证锚固断面避开施工缝。

2.3 径向力问题

如果在工程中发现部分悬浇施工的预应力连续箱梁，在合并后又出现纵向裂缝，那么径向力会是引起这种现象的原因之一。

如果将钢束放置在平面上并且使曲线布置，那么钢束曲率将会向混凝土的径向荷载传递，并且对圆曲线是F/R，产生的折角是Fθ，如下图:

这种荷载会引起2个效应:一是对箱梁底板上产生内力，但这种内力可以根据框架结构计算出来;二是钢束转向处产生集中力，因此要根据计算结果对底板内力进行重新组合，配置适量的横向钢筋。计算方式为:A=。其中，θ为折角或圆曲线转角;［σ］为钢筋容许应力;gF为锚固力。

在设计中也可以采取以下措施来避免这种情况:一是将箱梁的底板厚度设置为超过通过底板的最大波纹管外径的3倍;二是尽可能将钢束布置在腹板;三是在底板配置足够多的横向钢筋和防崩钢筋;四是对合拢高差进行严格控制。

3 结语

综上所述，预应力连续箱梁桥虽然已经具备了较为成熟的设计原理和施工技术，但是在实际的设计中仍存在一些问题，还需不断地改善。

［1］刘学琪.浅析预应力混凝土连续箱梁设计［J］.甘肃科技，2007－09.

［2］龚建灿.预应力混凝土连续箱梁桥设计与施工研究［D］.浙江大学，2007－01.

［3］赵建永.中小跨径预应力混凝土连续箱梁设计与施工［J］.交通世界(建养.机械)，2012 －10.

［4］万田宝.论预应力混凝土连续箱梁桥设计思路［J］.交通标准化，2012－04.