现浇预应力混凝土连续箱梁桥设计探讨
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摘要：结合某现浇连续预应力混凝土箱梁桥的工程实例，较详尽的介绍了该桥的设计和构造特点、上部结构计算及上下部构造设计，并结合实际针对设计时应考虑的一些因素进行了较详细的探讨。
关键词：预应力混凝土连续梁桥；桥梁设计；结构计算
1 前言
预应力砼连续箱梁以其结构刚度好、行车平顺舒适、外形美观、养护简单等优点而备受工程界欢迎。目前跨度为4O～50 m 的桥梁中，预应力砼连续箱粱桥已成为最主要的桥型之一。工程实践中，对于双向4车道高速公路，桥面宽度一般在12 m左右，预应力箱梁一般采用单箱单室或单箱双室箱梁结构。箱梁预应力钢筋的配置方式一般有纵向(顺桥方向)、横向(桥面方面)和竖向(垂直桥面)3种。纵向预应力钢筋采用钢绞线，配置在箱梁的腹板和底板I横向预应力筋一般配置在独柱墩的横梁上，其作用是增强横梁的抗扭强度和整体刚度及箱梁的整体抗扭刚度，防止畸变变形；竖向预应力筋采用高强度精轧螺纹粗钢筋，配置在箱梁的腹板上。本文结合某高速公路立交区主线桥梁的设计，浅谈该主线上一座2×30m现浇连续预应力混凝土箱梁桥的设计及一些体会。
2 结构设计
2．1 设计标准
(1)道路等级：高速公路；
(2)荷载等级：公路一级；
(3)桥面宽度：净11．25m；
(4)设计安全等级：二级；
(5)设计车速：lOOkm／h；
(6)最大纵坡：4％ ；
(7)地震裂度：7。。
2．2 箱梁设计
根据主线立交布置，本桥上部结构采用2×30m现浇后张法等高度预应力钢筋混凝土连续箱梁，为单箱双室，梁高1．80m，为跨径的1／17。箱梁顶板宽12．30m、底板宽8．30m，箱梁悬臂长度2．Om，箱梁顶面设置2％横坡，由箱梁整体旋转形成。设计采用弹性理论计算方法。
2．2．1 箱梁截面主要结构尺寸
(1)顶板和底板
顶板和底板是箱型截面结构承受正负弯距的主要工作部位。
对于顶板，首先要满足桥面板横向弯矩的要求，其次要满足布置力筋的构造要求。据此，且根据以往经验，顶板厚度取1／15腹板中距，为27crn，考虑近支点处抗剪、承压和锚固预应力束的需要，近支点2．Om为渐变加厚，且取支点处厚为40cm。
对于底板，除应满足能提供足够大的承压面积，发挥良好的受力作用，还应满足布置正弯矩下的力筋通过的构造要求。根据要求，本桥跨中底板厚为27cm，近支点处设置5．Om的渐变段，且取支点处厚为40cm。
(2)腹板
箱梁腹板的主要功能是承受结构的弯曲剪应力与扭转剪应力所引起的主拉应力。若增加腹板的厚度，对截面正应力、剪应力和主拉应力均有良好的改善，但势必会增加箱梁自重，在自重荷载占70％左右的当今桥梁设计中，应尽可能减少自重。而腹板内如果有弯束布置，因弯束预加力的竖向分力对外剪力的抵消作用，则剪应力和主拉应力值较小。因而，腹板内的钢束布置有时是按构造要求而设置的。所以，确定腹板的厚度要综合考虑。
腹板的最小厚度要满足钢束管道的布置与混凝土浇筑的构造需要，当然最终取决于受力要求(依桥梁跨度、梁高、腹板间的净距、梗腋设置情况等不同，腹板厚度取值也不同)。根据要求，本桥设计时，腹板的厚度在跨中主要由构造确定，取为50cm，在支点处，考虑承受梁部较大的剪力，同时由构造及抗剪需要，满足最小厚度需要，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62～2004)第5．2．9条的规定，将腹板厚度设计为距离支点5．0 m长度范围内渐厚，且中支点处腹板厚度取为70cm，边支点处因考虑钢束锚固平弯的需要，腹板厚度取为80cm。
(3)横隔板
箱梁横隔板的基本作用是增加截面的横向刚度，限制畸变应力。在支承处的横隔板还担负着承受和分布较大支承反力的作用。箱形截面由于具有很大的抗扭刚度，所以横隔板的布置可以比一般肋式梁桥少一些。本桥通过结构分析，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGI)62--2004)第5．2．9条的规定，中横梁取160cm，边横梁取120cm，不设跨间横隔板。
(4)承托
在顶、底板和腹板接头处设置承托很有必要。承托提高了截面的抗弯刚度和抗扭刚度，减少了扭转剪应力和畸变应力。桥面板在腹板支承处的刚度加大后，可以吸收负弯矩，从而减少了桥面板的跨中正弯距。此外，承托使力线过渡比较缓和，减少了次应力。从构造上考虑，利用承托所提供的空间布置纵向预应力筋和横向预应力筋，这也为减薄底板和顶板的厚度提供了构造上的保证。
在设置承托时，应考虑承托的竖向加腋和水平加腋两种加腋各自的优缺点，综合进行考虑。在顶板和腹板交接处如设置竖加腋，则可以加大腹板的刚度，对腹板受力有利，使腹板剪应力控制截面下移，错开了纵向弯曲应力高峰，并有利于弯束的布置，但其会使预应力索的合力位置降低。反之，水平加腋对纵向束布置于桥面顶底受力有利，并加大预应力合力偏心，但对腹板受力和弯束布置不利。本桥顶板的承托采用1：4的比例布置，即25×100cm，底板的承托采用1：1的比例布置，即25×25cmo
(5)悬臂
悬臂长度也是调节板内弯距的重要参数，悬臂板尺寸的确定要满足结构受力的要求。本桥根据主线桥面宽度和受力计算，确定悬臂长度为2．0m，悬臂端高度取18cm，悬臂根部取1／4悬臂长度，即45cm。
2．2．2 箱梁配筋
连续梁的预应力筋在桥梁的纵、横、竖向布置，沿桥垮方向的力筋称为主筋，其数量和布筋位置要根据结构在使用阶段的受力状态确定，同时，也要满足施工各个阶段的受力需要。本桥根据结构受力需要，梁体仅采用纵向预应力。而且，采用高强度低松弛钢绞线，公称直径15．24mm，公称面积140mm ，标准强度fDk=1 860MPa，其技术性能应符合现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》(GB／T5224―2006)。预应力管道采用塑料波纹管。顶板纵向预应力分为腹板束和底板束，腹板束为17 。15．24钢绞线，采用l2束通长束，均在顶板锚固，采用两端张拉；底板束采用136。15．24，每孔3束。考虑本桥两侧均是现浇箱梁施工的特殊要求，本桥钢束不能在两端张拉，经计算分析后，选择底板束一端固定在梁端，另一端过中横梁后，在底板设置锯齿块张拉锚固。
2．3 结构计算与分析
2．3．1 上部结构计算与分析
上部结构按部分预应力混凝土A类构件设计。计算采用“桥梁博士V3．1．0”模拟施工各阶段及运营阶段进行计算，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)第5、6、7章相关条款的要求，进行持久状况承载能力极限状态和持久状况正常使用极限状态设计，并根据具体情况考虑持久状况和短暂状况，并对其进行相应的极限状态设计。通过对各阶段内力、变形进行分析，合理布置预应力，将各阶段截面受力控制在规范规定容许的安全范围内。
计算中考虑的荷载：恒载(包括一期恒载和二期恒载)、预应力、汽车荷载、温度变化力、基础变位影响力、混凝土收缩徐变影响力等。
荷载组合的处理：按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)规定，按承载能力极限状态设计时采用基本组合，按正常使用极限状态设计时，根据不同的设计要求，分别采用作用短期效应组合和作用长期效应组合。
根据规范规定，本桥计算采用的A类预应力混凝土现浇构件C50混凝土截面，组合应力限制为：正应力：
主应力：
2．3．2 上部结构横向计算与分析
主梁为箱形截面，横向计算按支撑在腹板板底的横向框架进行内力分析、计算。取纵向长度为1．0m的箱梁为计算单元，采用“桥梁博士V3．1．0”进行内力计算，结构离散成47个单元。
计算考虑了恒载(包括一期恒载和二期恒载)、汽车荷载、箱梁内外温度变化力、混凝土收缩徐变影响力等荷载。
2．4 下部结构设计
确定桥梁下部结构应遵循安全耐久、造价低、维修养护少、预制施工方便、工期短、与周围环境协调、造型美观等原则。
特别是互通立交跨线桥、城市立交高架桥的下部结构造型对整体设计方案起着重要的作用。合理的下部结构能使上、下部协调一致，经济、美观。
墩台是桥梁的重要结构，支承着桥梁上部结构的荷载，并将它传给地基基础。因此，桥梁墩台及基础的设计与结构受力、土质构造、地质条件、水文、流速、河床断面及冰冻情况有关。
根据总体设计要求，并与上部结构相协调，本桥桥墩均采用双柱式墩，柱径1．40m，横向柱间距为6．80m，每个墩柱柱顶设置一个盆式橡胶支座；桥墩基础采用了桩柱连接的钻孔灌注桩基础，桩径1．60m，桩长32―36m。考虑到横向稳定性，在墩顶处设置横系梁，高1．20m，宽1．0m。
3 结语
近年来，现浇连续箱梁桥应用较为普遍。通过对2×30m现浇连续预应力混凝土箱梁桥的设计，从该桥的上下部结构设计特点、结构的受力分析，得到以下体会，希望能为同类型的桥梁设计提供有价值的参考。
(1)在进行箱梁结构设计时，对每一主要尺寸的拟定，都要考虑结构受力的要求和布置钢筋的构造要求；并采取适当的计算方法，对结构进行纵横向计算分析，以保证设计的安全性。
(2)在进行上部结构设计时，应充分考虑墩台和地基的特点，把结构物作为一个整体，考虑其整体作用和各个组成部分的共同作用。
(3)在进行桥梁设计时，不仅要有一个良好的计算分析，更重要的是要不断的积累丰富的经验去判断计算结果的可信度，选用计算结果，亦即选用安全度，根据不同的结构、跨度，选用切合实际的构造，去弥补计算上的不足，确保桥梁结构的安全与经济。
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