预应力混凝土连续箱梁桥梁结构的设计研究

预应力混凝土连续箱梁桥梁结构的设计研究

鲍春

天津市市政工程设计研究院天津300450

摘要：伴随预应力技术的不断发展及完善，特别是悬臂、顶推等技术的应用，使得预应力混凝土连续梁桥施工工艺水平得到了有效提高。作为应用最广的桥梁形式，预应力混凝土连续箱梁具备变形小、结构刚度好及便于养护等优点。同时箱形截面适应性良好，且抗扭刚度大，如何做好桥梁结构设计显得尤为关键。为此，本文结合具体案例，在结构设计中合理引入结构优化方法，在满足设计要求的基础上，对预应力混凝土连续箱梁桥梁结构设计要点进行了分析与探讨。

关键词：预应力混凝土；连续箱梁；结构设计

引言

在大跨度桥梁建设中，预应力混凝土连续箱梁应用较多，此类结构截面特点为结构性良好、抗扭转能力强，且便于安装等。由于多种客观因素的影响，在实际应用中往往存在大量桥梁病害问题，如处理不及时，不仅会对桥梁结构安全、耐久性造成严重影响，甚至会危害人民的生命、财产安全。为此，必须重视预应力混凝土连续箱梁桥梁结构设计，做好设计工作，只有保证设计的合理性、科学性，才能最大限度提高桥梁工程质量，才能保证工程使用性能，延长桥梁工程的使用寿命。随着运营时间的增加，箱梁桥（特别是大跨度连续梁桥）逐渐暴露出结构裂缝等问题。有调查研究指出，混凝土结构的开裂是“箱梁桥”存在的较为突出的问题。“箱梁桥”的结构裂缝主要有纵向裂缝、弯曲裂缝、弯曲剪应力裂缝和主拉应力裂缝等几类，具体表现为预应力“盲区”裂缝、横隔板裂缝、腹板裂缝、温度裂缝和锚下开裂等。“箱梁桥”产生的超出设计许可的结构裂缝对箱梁桥的耐久性和营运安全构成了严重的安全隐患。

一、结构优化设计的特点

有学者指出，“箱梁桥”结构裂缝产生的普遍性，与目前我国的桥梁设计理论和方法有关[3]。因此，从桥梁设计的计算方法、预应力索及构造钢筋的配置及构造尺寸的设计等方面进行“箱梁桥”的设计改进是从源头上预防结构裂缝产生的有效途径。作为一种现代、科学的设计方法，结构优化设计是指按照设计要求，设计者在所有可能的结构方案内，通过数学方法，进行多个设计方案的计算，并根据设计者的预定要求，择优选取最佳方案。此类设计方法的特点如下：

（一）最优设计是设计的思想，需建立一个能够将设计问题充分反映出来的数学模型；

（二）优化方法是设计的方法，通过调整方案参数，由此选出最优方案。在桥梁结构中合理应用结构优化设计，可优化施工工艺、缩短施工周期，且具有良好的经济价值。作为桥梁工程的主要桥型，预应力混凝土连续箱梁桥以其独特的优势，在桥梁工程建设中得到了广泛应用。在桥梁跨径持续增大的情况下，最佳横截面形式为箱形截面，此类截面结构性能良好，具有较大抗扭刚度，在施工及后期运营阶段此类结构稳定性良好。同时顶板与底板混凝土截面积较大，可抵抗正负弯矩，且满足配筋需求。将结构优化设计应用于预应力混凝土连续箱梁桥，对桥梁工程建设意义重大。可选用的结构优化措施如下：第一，桥跨布设。因预应力混凝土连续箱梁桥连续变形的特性，边跨和中跨比例的大小，对结构受力是否合理影响较大。当比例较大时，边跨结构纵向刚度则较小，此时并不符合中跨结构刚度要求，特别是在恒载、活载作用下，将会大大增加边跨主拉应力。当比例较小时，则会增加中跨跨中弯矩，导致向上负反力出现于边跨支点部位。第二，腹板、顶板及底板厚度的确定。根据受力要求，合理确定腹板最小厚度，且符合构造要求。当前中等以上跨径预应力混凝土连续箱梁桥，因跨径、构造及受力要求等因素作用，可在35~60cm之间合理控制腹板厚度。伴随负弯矩的不断增大，桥梁底板厚度逐步增加，直至根部，相比根部梁高，根部底板厚度可控制在10%左右，并在20~25cm之间控制跨中底板厚度，以此满足设计要求。

二、预应力混凝土连续箱梁桥梁结构设计要点分析

某预应力混凝土连续箱梁桥主要构成部分为独立的上下行两幅桥。为满足施工要求，可选用边跨反对称的方式进行主桥左右两幅桥布跨。108m+166m+95m为左幅桥跨径布设形式；95m+166m+108m为右幅桥跨径布设形式。33m为主桥桥面宽度，中间进行中央分隔带（2m）设置，17.5m为两箱梁中心间距，选用C60混凝土用于主梁施工。因主桥具有较大跨径，为保证桥梁整体刚度满足设计要求，本文决定对箱梁截面尺寸、腹板厚度、顶板厚度等进行分析，以此达到设计最优化。

（一）箱梁截面尺寸

根据工程建设实际情况，可选用直腹板用于箱梁施工，15.5m为箱梁顶板宽度，8m为底板宽度，3.75m为两侧悬臂段长度，16cm为悬臂端部厚度，65cm为悬臂根部厚度。通过施工实践可见，通常选用主跨跨径1/15~1/20作为变截面连续梁桥支点梁高，相比主跨跨径，跨中梁高为其1/30~1/50。3.8m为该桥跨中、边跨直线段箱梁梁高，选用9m、9.5m及10.0m作为支点梁高，以此进行分析对比，由此可见，在跨中梁高不变的情况下，不断增加支点梁高，跨中弯矩与跨中挠度、最大压应力值则呈现出下降的状态。支点梁高选用9.0m时，混凝土压应力存在超限现象，与规范要求不符。选用9.5m、10.0m时，以上各指标提高幅度不大，但将大大增加用料数量，10.0m造价必然高于9.5m。基于经济性原理，决定选用9.5m作为支点梁高，以此进行优化设计。

（二）拟定梁底曲线

一般可选取圆弧线、抛物线及折线等作为变截面梁梁底变化曲线。根据该工程设计要求，梁底曲线应选用抛物线，利用抛物线指数，对其结构影响程度进行分析，由此可见，梁底抛物线指数变化过程中，支点弯矩影响较小，基本没有变化。受影响较大的指标为跨中挠度、截面上缘应力。在不断增大抛物线指数的过程中，跨中挠度也随之增大，且并不存在超限现象。如指数为1.6~1.8范围内，将有拉应力出现于支点上缘，这种情况下，与该梁桥预应力设计要求不符。

（三） 拟定腹板厚度

在预应力混凝土连续箱梁结构内，其弯曲剪应力、扭转剪应力极易产生主拉应力，而箱梁腹板为其主要承受结构。必须按照剪切极限强度规定确定腹板最小厚度。一般可在腹板上锚固预应力钢束。设计时，还需对锚下局部应力需求加以充分考虑，设计可通过对比50~70cm、50~70~80cm、50~70~90cm三种腹板厚度进行分析，由此可见，以上三种厚度对支点截面弯矩具有很小的影响，无需控制其设计。但50~70~90cm腹板厚度条件下有拉应力产生于支点截面上缘位置，与设计要求不符。

三、结束语

综上所述，作为桥梁工程施工最常见的结构类型之一，预应力混凝土连续箱梁桥结构具有良好稳定性，且承载力较大，在通车运营阶段不会产生过大变形量，同时其还具备极强的抗震性能。于桥梁工程建设而言，为提高其整体稳定性，确保施工安全，必须重视结构设计，在设计过程中应对多方面条件综合考虑，如腹板厚度、梁底曲线等，只有保证各个结构布局、设计合理，才能提高桥梁工程的承载能力，才能延长桥梁工程的使用寿命。

参考文献：

[1]王磊.预应力混凝土连续箱梁桥梁结构的设计研究[J].科技经济市场，2018（07）：15-16.

[2]胡志伟.预应力混凝土连续箱梁桥结构优化设计[J].工程与建设，2009，23（02）：202-204.