大跨径预应力混凝土连续梁桥设计分析
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摘要：大跨径预应力混凝土连续梁桥具有跨越能力大，施工工艺成熟、工程造价低，桥型简单，维修保养方便的优点。本文结合工程实例，分析了大跨径预应力混凝土连续梁桥的设计。
关键词:大跨径；连续梁桥；桥梁设计
连续箱梁结构具有变形小、刚度好、行车平顺舒适、伸缩缝少、抗震能力强等优点。目前在40～150m跨度范围内，无论是城市桥梁、公路桥梁，还是铁路桥梁中都具有较大的优势，是一种广泛使用的桥型。现就某路进行拓宽建设中的桥梁设计进行探讨。
一、工程概况
某桥主桥拟采用大跨径预应力混凝土连续梁，引桥拟采用预应力混凝土简支T梁。主桥桥型布置见图1所示
图1桥型布置图
该桥主桥主要技术标准:桥面宽度:0.5m+15m+0.5m；设计荷载:城市A级；设计车速:80km/h；通航净空:航道标准为Ⅲ级，最高通航水位73.00m，通航净空不小于70m×7m；温度荷载:箱梁体系温度10～45℃，合拢温度15℃。
二、总体设计
主桥方案从技术先进性、施工方便性、经济合理性、环境景观协调性等方面考虑，选定了大跨径变截面预应力混凝土连续箱梁方案，预应力混凝土连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一，该桥跨径布置为45m+80m+45m，箱梁顶宽16m，底宽8m，为单箱单室截面。根部梁高4.5m，跨中梁高2m，箱梁梁高、底板厚度均按照二次抛物线变化，既满足了结构受力需要，又使得梁体线形显得匀称流畅。
三、连续箱梁设计
1尺寸拟定
本着安全可靠、经济适用的原则，考虑结构受力要求、预应力钢束布置、施工技术水平等因素，主梁结构尺寸拟定:主桥横断面采用单箱单室箱形截面，根部梁高为4.5m，高跨比为1/17.8；跨中梁高2.0m，高跨比为1/40.0。箱梁顶板宽16.0m，底板宽8.0m，翼缘板悬臂长4.0m。箱梁高度从距墩中心1.75m处到跨中合拢段处按二次抛物线变化，除墩顶。0号块设一个厚350cm的横隔板及边跨端部设厚150cm的横隔板外，其余部位均不设横隔板。0号块两侧距墩中心1.75～3.75m，箱梁顶板厚度由0.28m变化至0.70m，底板厚度由0.7m变化至1.50m；距墩中心3.75m外顶板厚度均为。.28m，底板厚度从0.70m至0.30m按二次抛物线变化。腹板厚度在5号块以前为0.90m,6号块以后为0.50m,5～6号块由0.90m按直线变化至0.50m。横坡2%，横坡由腹板高度调整。0号块构造、箱梁截面尺寸见图2、图3所示。
图20号块构造图3箱梁截面尺寸
主桥连续箱梁拟采用挂篮悬臂现浇法施工。各单“T”箱梁除0、1号块外分为10对梁段，箱梁纵向分段长度为(4×3.5+5×4.0)m。0、1号块总长10m，中跨、边跨合拢段长度均为2.0m。边跨现浇段长度为4.0m。
2预应力体系
本桥箱梁采用三向预应力体系。纵向、横向预应力钢束采用φs15.24钢绞线束，锚下控制应力σcon=0.73fpk，塑料波纹管成孔，孔道压浆采用真空辅助压浆工艺。竖向预应力钢筋采用JL32精轧螺纹粗钢筋。
本桥纵向预应力采用19φs15.24、21φs15.24钢束，群锚锚固体系。纵向预应力在箱梁根部附近4个梁段内布设腹板下弯钢束，其余梁段布设顶板束和底板束。主桥箱梁横向预应力采用4φs15.24钢铰线，15-4型扁锚，以75cm的间距布设，单端张拉，交替锚固。竖向预应力采用儿32精轧螺纹粗钢筋，设计张拉吨位为560kN，以50cm等间距布置，在近支点18.5m范围内每侧腹板按双肢配置，其余梁段按单肢配置，为方便施工竖向预应力可兼做悬臂施工时挂篮的后锚点，挂篮前移后，对竖向预应力粗钢筋进行补拉并封锚。
3横向分析
考虑箱梁受力的不利影响，截取1m长度的跨中箱梁梁段，分别采用框架结构和简支板考虑固端影响两种模式进行分析计算，择其大者控制截面设计。
横向分析主要考虑结构自重、底板预应力束在跨中产生的竖向分力，车辆、车道荷载按照规范规定的分布长度换算出1m长度内的荷载值后，以各控制点出现最不利内力为原则进行横向布置。
4悬臂施工预拱度计算
本桥上部采用悬臂浇筑法，双“T”同时施工，先合龙边跨，后合龙跨中。预拱度计算是结合悬臂施工模拟计算的，计算得到的挠度曲线最大值为6.4cm,设置预拱度曲线最大值为4cm，对跨中额外多考虑4cm的富余量，共计8cm。
四、结构静力分析结果
本桥上部结构静力分析采用《MIDASCivil/2006》(V7.2.0ReleaseNo.2)和《桥梁博士》(V3.10)两套程序进行计算与校核，两个程序计算结果非常接近。程序按规范规定对施工阶段、使用阶段的结构刚度、强度、应力、应变进行验算。共分40个施工阶段和一个使用阶段。施工阶段划分根据施工进度和施工顺序安排，对单“T”结构进行了多种工况的验算，并以此控制临时固结所需的预应力钢筋及临时支承。整个计算综合考虑了恒载、活载、预应力荷载、混凝土收缩徐变、支座不均匀沉降、温度荷载等作用的组合。
计算结果表明，在各控制设计工况下截面应力分布较为均匀，箱梁顶、底板均未出现拉应力并有一定的压应力储备。考虑30%的竖向预应力后，箱梁截面最大主拉应力值控制在0.5MPa以内。使用阶段正应力见表1-表3，使用阶段主应力见表4，表中数据表明结构满足全预应力构件要求。
表1长期效应组合下结构正应力值Mpa
表2短期效应组合下结构正应力值Mpa
表3 长期效应组合下结构主应力值Mpa
表4 短期效应组合下结构主应力值Mpa
五、设计特点
1新规范、新材料、新工艺的采用该桥主桥是结合新规范、新材料(采用塑料波纹管作为预应力钢束孔道)、新工艺(采用真空辅助压浆工艺进行预应力钢束孔道压浆)而设计的。
2新的设计理念
2.1结构尺寸控制。为提高梁体的抗剪能力，改善主梁应力状态，箱梁应有足够的结构尺寸。根部箱梁高度应控制在主跨跨度的1/16-1/18，本设计采用1/17.8；箱梁腹板最小厚度不宜小于40cm，本设计采用50-90cm；箱梁腹板与顶底板间承托最小边长应大于50cm，本设计采用60cm。
本设计对箱梁。0号块亦有足够的重视，设计分析了多种工况下。号块的应力分布状态，通过消除局部应力集中和在拉应力区布设足够数量的普通钢筋等措施来改善0号块局部受力，减少其裂缝的产生。
2.2预应力体系设计。大量实例揭示了连续梁桥出现问题往往不是理论计算不到位，而是构造上和施工等原因造成的。本桥在纵向预应力体系设计中，避免了超长束配筋方式的使用，按真空压浆工艺的要求进行设计，配置了适当的纵向腹板弯束和竖向预应力钢筋，以改善箱梁腹板的主拉应力状况，从而避免腹板开裂问题。在竖向预应力的考虑上，按其有效作用折减70%后计入理论计算。设计中设置了备用预应力孔道以便有必要时在使用阶段增加梁体内的有效预应力。
2.3应力和变形控制。20世纪90年代以来我国修建的许多大跨径连续梁在通车3年后跨中仍然持续下挠，部分桥下挠时间长达10年仍未稳定，充分暴露了设计时对混凝土收缩徐变影响的长期性估计不足、温度荷载考虑不周、预应力施工时对混凝土强度与弹性模量控制不严格等问题。
本桥的应力和变形计算充分考虑了温度和混凝土徐变的影响，以多种温度模式对温度影响进行计算，混凝土收缩徐变影响的计算时间，自合龙成桥后，不少于10年。成桥预拱度计入了混凝土收缩徐变的影响，预拱度值不小于恒载作用产生的竖向挠度、1/2活载作用产生的竖向挠度及额外附加挠度之和，并拟合成平顺曲线。预应力张拉施工时实行强度与弹性模量90%双控。
本桥预应力混凝土连续梁桥按照全预应力混凝土设计，正截面的最大压应力不大于规范规定限值的0.8倍，最小压应力储备不小于1.0MPa；箱梁腹板的最大主压应力和主拉应力不大于规范规定限值的0.8倍。
六、结束语
根据上述设计方案，连续梁结构体系具有结构刚度好、养护简单、施工工艺成熟、外形优美等特点，在40-150m跨径范围内具有较大的竞争优势。本桥设计充分考虑了技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的桥梁设计原则，具有较好的经济效益和社会效益。
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