预应力混凝土箱梁合理构造与布置形式研究

韩昊楠

中建二局第三建筑工程有限公司北京100070

摘要：在公路、铁路桥梁工程程设计中，大跨径预应力混凝土梁桥作为一种结构受力简洁、合理的桥型正在越来越多的被工程设计人员所采用。随着桥梁设计软件的升级完善和设计工程师设计经验、水平的进步及施工单位施工能力的提高，预应力混凝土连续梁桥的设计趋向大跨径。这些年来一些大跨度预应力混凝土梁桥主梁运营期变形下挠普遍比设计值大，桥面纵坡与设计值相差大，行车舒适性差，引起使用安全的危机感。

本文研究如何从构造角度减轻这种下挠趋势。本文分析了箱梁的空间受力特性，提出了有限元模型建立的方法。依据资料统计整理了国内外预应力混凝土连续箱梁的主要设计参数(支点高跨比、跨中高跨比、梁底曲线抛物线幂次以及边中跨比)，结合工程实例，改变这些参数，计算得出这些参数的变化对箱梁桥受力以及后期挠度的影响。根据这些结果提出了合理化的建议。

关键词：合理构造；腹板；横隔板；下挠；高跨比；设计参数

1引言

随着我国交通运输事业的迅速发展，公路桥梁的建设突飞猛进，据统计，近20年国内外修建的桥梁中，箱形梁桥占绝大多数。大跨径预应力混凝土梁桥通常采用箱形截面形式。

箱形截面能适应各种使用条件，特别适合于预应力混凝土连续梁桥、变宽度桥。因为嵌同住箱梁上的悬臂板，其长度可以较大幅度变化，并且腹板间距也能放大；箱梁有较大的抗扭刚度，因此，箱梁能在独柱支墩上建成弯斜桥；箱梁容许有最大细长度；应力值较低，重心轴不偏一边，同T型梁相比徐变变形较小。箱梁截面有单箱单室、单箱双室(或多室)，早期为矩形箱，逐渐发展成斜腰板的梯形箱。箱梁桥可以是变高度，也可以是等高度。从美观上看，有较大主孔和边孔的3跨箱梁桥，用变高度箱梁是较美观的；多跨桥(3跨以上)用等高箱梁具有较好的外观效果。随着交通量的快速增长，车速提高，人们出行希望有快速、舒适的交通条件，预应力混凝土连续箱梁桥能适应这一需要。它具有桥面接缝少、梁高小、刚度大、整体性强，外形美观，便于养护等。一般常用的方法有：立支架就地现浇、预制拼装(可以整孔、分段串联)、悬臂浇注、顶推、用滑模逐跨现浇施工等。预应力钢束采用钢绞线，可以分段或连续配束，一般采用大吨位群锚。为了减轻箱梁自重，可以采用体外预应力钢束。由于连续箱梁在构造、施上和使用上的优点，近年来建成预应力混凝土连续箱梁桥多。

2国内外预应力混凝土连续梁发展概况

近年来随着人们对桥梁轻型美观的要求越来越高，预应力混凝土箱梁桥的结构尺寸设计有的逐渐偏离了结构本身的力学要求，从而使得预应力混凝土箱梁桥更加容易产生裂缝。加之大跨径预应力混凝土梁桥主梁在运营中跨中下挠是一个较为普遍现象，对桥梁使用性能和结构安全产生不利影响，已成为此类桥梁发展的严重障碍。也是桥梁界迫切需要解决的技术问题。从预应力混凝土梁桥结构受力机理上分析，预应力混凝土梁桥的挠度实际上是两类总体方向相反的荷载组合效应和结构抗力效应综合平衡的结果。目前国内外比较认同的导致大跨径预应力混凝土梁桥下挠的主要因素为：

①混凝土徐变(包含箱粱断面构件不同厚度导致的收缩差异影响、交通荷载和温度变化引起的反复荷载效应、施工接缝的影响等)；

②对预应力长期损失估计偏低；

③混凝土的开裂；

④施工方法(特别是合龙方式)导致的不利的成桥应力状态和施工质量。

本文重点是箱梁的结构构造布置进行研究，其他的影响因素本文不做深入讨论。

3箱梁桥主要设计尺寸拟定

3.1箱梁高跨比取值研究分析

对于预应力混凝土梁式桥，恒载内力一般可以占到截面总内力的60％～75％，有些甚至可达到90％。因此，在施工可行、构造可靠、满足结构承载能力和止常使用要求的前提下，尽量减小预应力混凝土梁式桥的恒载重量是预应力混凝土梁式桥设计的一个重要内容。但如桥桥梁的梁高偏小，则很可能会造成预应力筋布置困难。根据经验，一般情况下，预应力混凝土变高度连续梁，支点截面梁高h为跨径的1／16～1／20，跨中截诬梁高h为跨径的1／30—1／50。

箱梁的高跨比对连续梁主梁的影响至关重要，对于悬臂施工的大跨径预应力混凝土连续梁桥，施工和营运阶段的最不利截面是主梁根部、1／4跨、跨中合龙段。下文整理了在不同根部高跨比下主梁根部和1／4跨截面最大剪应力和主拉应力，成桥状态下箱梁关键截面处的上、下缘主应力，最大弯矩及主梁收缩徐变完成10年后的竖向最大累计位移。

3.2梁底曲线讨论

(1)箱梁根部和跨中，因为梁高没有变化，混凝土的下缘压应力和主拉应力没有明显的变化；

(2)1／8处和l1／4处由于抛物线幂次的增加，混凝土的梁高变矮，下缘压应力和主拉应力都是增大的；

(3)大跨连续梁设计时最好不要出现主拉应力，主梁下缘不易采用较高幂次的抛物线，建议采用低次抛物线或分段采用高次样条曲线拟合的方法，在不改变箱梁根部和跨中梁高的情况下，适当增加1／4处梁高。

(4)对于混凝土材料来说，能承受较大的压应力很小的拉应力。基于混凝土材料的受力性能，原设计采用幂次较低的抛物线比较合理的。

3.3边中跨比值的研究

预应力混凝土连续梁式桥，由于其连续变形的特点，边孔布置一般采用不等跨的形式，其边跨于主跨之比是否合适直接影响到结构受力的合理性。若边跨与主跨之比太大，边跨支架施上梁段长度偏长，相对于中间孔跨，边跨结构的整体刚度偏小，与中间孔跨结构的刚度不匹配，在横载或活载作用下，边跨的现浇段部分会出现较人的主拉应力，易使混凝土开裂，边跨加载对中跨箱梁桥的结构受力也不好。同时，设计过程中发现，近边跨的墩身内力远大于近中跨的墩身内力，若边跨与主跨之比过小，则边跨支点可能会出现向上的拉力，使交界墩和边跨受力不合理，且近边跨的墩身轴向压力小，容易造成土墩受力不均衡。另外，若边跨与主跨之比过大，则连续梁各跨的刚度会有较大的差异，可能会影响结构的正常使用。

3.4本章小结

选取不同的高跨比、梁底曲线以及边中跨比，对其结构建模和力学分析，得到关键点处的内力和戍力变化规律，通过分析结果可以得到以下结论：

(1)适当增加梁高，可增加主梁刚度，改善主梁应力状态，取用较高的根部高跨比后期下挠值要小，当然不能一味的增加，过“度”后白重起主导作用了，会导致下挠加剧。建议采用根部的高跨比为1／15-1／17之间。从减小主梁后期下挠来说，在合理范同内取较人的跨中高跨比比较有利，但是从改善箱梁墩顶负弯矩来说，取较小的跨中高跨比比较的有利。综合这些因素，在0．2-0．3之间取适中的高跨比比较好，建议跨中高跨比在1／40左右取值；

(2)人跨径PC连续梁桥设计中，为改善桥梁布置和局部构造设计，提高梁体整体抗剪能力，应适当减小边、中跨之比，可以降低边跨现浇段的剪力，从而减少此段的主拉应力，但是较小的边中

跨比又会影响梁桥的后期下挠，所以又不宜取太小，建议采用的边、中跨比为0．54--0．59之间；

(3)为减小L／4附近截面的主拉应力，适当减少梁高变化采用的抛物线次数，建议采用1．5-1．7之间。

4结束语

大跨径预应力混凝土梁桥上梁在运营中跨中下挠是一个较为普遍现象，对桥梁使用性能和结构安全产生不利影响，已成为此类桥梁发展的严重障碍，也是桥梁界迫切需要解决的技术问题。从预应力混凝土梁桥结构受力机理上分析，预应力混凝土梁桥的挠度实际上是两总体方向相反的荷载组合效应和抗力效应综合平衡的结果。结构跨中挠度除了荷载作用，刚度是影响挠度的另一个主要因素，箱梁刚度受结构布置、混凝土开裂程度、预应力束、疲劳特性等因素的影响。预应力混凝土箱梁合理的构造与布置，既避免了施工和使用时的混凝土开裂，又能一定程度上减缓或减轻大跨箱梁桥的后期下挠问题。

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