预应力混凝土连续梁桥设计探究
2010-08-09
连续梁桥是工程上广泛使用的一种桥型。它不但具有可靠的强度、刚度及抗裂性．而且具有行车平稳舒适、养护工作量小、设计及施工经验成熟的特点，与其它桥型相比具有很强的经济性，常成为最佳桥型方案。通过多年参与、负责的预应力混凝土连续梁(连续刚构)桥的设计工作，对这种桥型有了较深刻地体会及认识，现将设计中应注意的问题，谈一些观点。
1 跨径布置及结构尺寸的拟定
当桥梁的设计方案选定后。首先应进行桥梁的总体布置和确定结构的构造尺寸，预应力混凝土连续梁的布宣和构造，应考虑桥梁的技术经济指标、跨越性质和水文、地质条件以及施工方法。其中不论是等截面还是变截面连续梁(刚构)，合理的主、边跨比、跨径与梁高的比例非常重要。若选用不当，将会导致箱梁混凝土开裂或边跨、边墩受力不合理。在具体设计时先根据通航或通行净空，结合地形、地物等控制因素定出主跨跨径，然后结合桥梁所采用施工方法来选定边跨跨径，再通过细部尺寸拟定来调整主、边跨的刚度来调整主梁各截面的内力．直至满足设计规范要求。对于跨径20～50 m的连续梁，一般作成等截面形式，梁高一般为跨径的1／15—1／30，这种桥型常采用满堂支架、移动模架逐孔施工和顶推施工的方法；对于较大跨径的多孑L连续梁，常作成变截面的形式，其支点梁高为最大跨径的1／15～1／20，跨中梁高为最大跨径的1／30—1／50，这种桥型通常采用悬臂法进行施工，其边跨跨径一般为中跨跨径的0．65—0．7倍．宜0．55～0．6倍。
在连续梁桥细部尺寸拟定时．应作一定的计算及分析，对箱梁各部分尺寸进行详细优化。在主、边跨不变的情况下，结合所采用的施工方法，考虑不同梁高、不同箱梁顶底板、腹板厚度；对于连续刚构桥还须根据地质资料对桩基础进行等效模拟，考虑不同的双壁墩间距、不同的截面(空心薄壁型、实心哑铃型)类型，进行多种组合的分析计算．经过反复多次的调整与综合考虑，最后确定较为理想的主、边跨梁高与结构细部尺寸。接着应对结构施工阶段的梁段划分、施工可靠度进行了深人的分析验算，梁段划分时尽量使所划分的梁段数量较少、相邻两梁段重量相差较小，以方便施工。缩短施工周期。在施工阶段可靠度验算中应考虑施工过程中在最大悬臂阶段可能出现的最不利的施工荷载、结构自重的不均匀性以及风力对结构的影响等。运营阶段则考虑恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变、基础沉陷、温度变化、风力及地震力对主桥结构上下部的影响，进行多种组合分析计算，以保证结构受力合理、施工简便安全。
2 预应力钢束布设
在连续梁桥(刚构桥)设计中纵向预应力索的布置宜多采用通长束，减少在跨中和支点布置的短束。对于逐孔施工的连续梁桥．通长束锚固在相临孔约0．2 L处，锚固后用连接器接长，在一个施工缝处不宜锚固所有钢束。最好有一半左右的连续束在下一个施工缝处锚固。每束不宜采用较大的张拉吨位，以使主粱截面的受力较为均匀：对于用支架现浇的连续梁，纵向预应力钢束一般需作齿板进行锚固，齿板应分散布置．不宜集中．在一个齿板上锚固吨位较大的钢束应不多于两束，齿板最好布置在混凝土受压部位，以防局部应力集中产生裂缝；对于跨径较大的连续梁与连续刚构桥，通常采用悬臂施工，在一些桥梁的设计中，纵向预应力索常采取直线索．用张拉普通精轧螺纹钢筋来克服结构的剪应力，但近年来的实践证明。单纯用竖向预应力钢筋来克服剪应力的做法值得商榷。主要原因有几个方面：其一，竖向布置的精轧螺纹钢筋较短，张拉时预应力损失较大．有的甚至一点储备也没有；其二、施工时张拉控制措施不到位：其三、管道压浆不密实。以上几种情况可通过采用高强精轧螺纹钢筋取代普通精轧螺纹钢筋以提高张拉吨位、施工时二次补拉以及采用真空吸浆工艺使预应力管道密实等措施来尽量减少预应力损失。增加竖向预应力储备。但最直接、最有效的办法还是在连续梁主梁支点左右一定范围内布置下弯索。在其端部将纵向预应力钢束弯起，以抵抗剪应力的作用。这一点已经重新得到桥梁工程界的普遍认可。同时也可以通过增加箍筋数量来增大腹板的抗剪储备。
3 温度问题
根据这几年的工作体会．在设计桥梁时应重视温度应力的影响作用。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ023—85)》中只规定了T形截面连续梁由于日照温差所引起的内力计算(即混凝土连续梁由于日照引起的桥面与其它部分的温度差而产生的内力，在缺乏实测资料时，可假定温度差+5℃(桥面板上升5 oC)，并在桥面板内均匀分布)，对箱型截面连续梁的温度应力及温度梯度的取值未作规定与说明，故在桥梁进行温度力分析计算时若参考JTJ023—85桥规取值，可能导致计算结果偏于不安全，不能反应桥梁实际所受的温度内力。以某立交匝道桥的温度计算为例。在考虑恒载、活载、支座沉降的工况下第八跨跨中下缘拉应力为1．4 MPa，考虑桥面板升温5℃时下缘拉应力为2．44 MPa，增加了74％ ，比活载产生的拉应力还要大。我国桥梁新规范JTGD62—2004及JTGD60—2004 对桥梁结构由于梯度温度引起的效应给出了竖向温度梯度曲线。国外如英国、新西兰、日本等国家的规范对连续箱梁的温度梯度模式都作了详细规定。对于同一桥梁结构，采用不同的温度梯度模式得到的梁内温度应力值相差很大．因此，为保证桥梁结构抗裂性，合理的温度梯度模式。对桥梁设计验算准确性极为重要。
4 徐变和收缩及其次内力问题
在长期荷载或应力作用下，混凝土的徐变和收缩对结构的变形、结构的内力分布和结构内截面(在组合截面情况下)的应力分布都会产生很大的影响。归纳起来为：结构在受压区的徐变和收缩会增大挠度；徐变会增大偏压柱的弯曲。l由此增大初始偏心，降低柱承载力；预应力混凝土构件中，徐变和收缩将导致预应力损失；结构构件截面如组合截面(不同材料组合的截面如钢筋混凝土组合截面，或不同龄期混凝土组合的截面等)，徐变会使截面应力重分布；对于超静定结构，混凝土徐变将导致内力重分布。亦及徐变将引起结构的次内力；混凝土收缩会使较厚构件(或在结构构件截面形状突变处)的表面开裂。这种表面裂缝是因为收缩总在构件表面开始，但受到内部的阻碍引起收缩拉应力而产生。
由于徐变总应变可高达加载后产生的弹性变形的1—4倍。所以混凝土的徐变效应，在混凝土桥梁设计中是必须考虑的。在超静定结构中由于徐变产生次内力．而应力变化的徐变及次内力计算较为复杂。现较常用的方法：狄辛格方法；Trost”Bazant法；采用位移法的有限元逐步分析法。狄辛格法当采用老化理论时，对后期加载的长期徐变效应估计过低。而对递减荷载的长期徐变效应又估计过高。由于狄辛格方法未考虑徐变中的“延滞弹性变形”，而延滞弹性变形部’分8 ，它可高达加载后产生的弹性变形的24％一44％。所以狄辛格方法计算的徐变效应有时与实际出入较大。随着计算机技术的进步和结构有限元方法的应用，根据Trost—Bazant按龄期调整的有效模量法与有限元法相结合，人们采用位移法的有限元逐步计算法，将使得徐变分析更逼近实际。
5 结 语
预应力连续梁桥的设计是一项复杂而细致的工作．若要成功地设计好一座桥梁必须从桥跨布设．尺寸拟定、钢束布置以及施工方法等方面综合考虑；同时应在众多的数据中选择正确的设计参数：并充分考虑环境(包括温度、徐变和收缩)对结构的影响。
[作者简介]
王洪超(1969一)，男，工程师 ，1992年毕业于昆明工学院，现在徐州市交通规划设计院长期从事设计监理工作。
