预应力混凝土梁式桥设计优化

浅谈预应力混凝土梁式桥设计优化摘要：在公路工程中,广泛应用的大跨度预应力混凝土梁式桥运营后出现诸多病害。笔者结合多年设计经验,从结构总体、预应力构造、结构计算等方面进行精细化设计,并提出了延长桥梁耐久性的优化建议。

关键词:大跨度梁式桥;病害;优化设计

预应力梁式桥是目前跨越河流、山谷桥梁中最常采用的结构形式。近年来,伴随着高速公路和市政基础设施的大量建设,该类结构以其跨越能力大、结构整体性好、行车平顺舒适、造价经济等特点大量被工程设计人员所采用。但同时一些已竣工运营的类似工程频繁出现腹板裂缝、梁体跨中顶底板纵向裂缝、桥面顶板横向裂缝和跨中过度下挠等病害,严重影响结构的正常使用和耐久性。如何从设计、施工与运营管理等方面减少此类病害日益得到业界重视,结合多年设计实践和心得,提出最大限度减少病害对策,优化大跨度预应力混凝土连续梁桥结构设计,确保桥梁安全运营。

一、结构总体设计优化

从提高结构安全耐久性与抗裂性能要求的角度对结构主要尺寸与结构总体构造方面提出如下概念设计要点。

1．零号梁段

零号梁段截面等高段过长,使得等高与变高起始段的底板折角远离墩顶横隔梁产生折角,此处压应力最大,折角引起底板应力流

线转向,产生无横隔梁平衡的斜方向分力,导致此处局部应力复杂,底板将承受多方向弯曲作用,对结构受力不利。

2．端支点截面

边跨端支点附近梁高低、剪力大,弯起束的弯起角度小,腹板大多没有加厚,根据以往工程经验是裂缝多发部位。建议该处腹板与底板适当加厚,防止裂缝发生。

3．箱梁横向

由于交通量越来越大,箱梁横向设计得越来越宽。但箱梁桥的截面尺寸,尤其是竖向高度,却由于轻型美观的要求越来越小,箱梁的剪切、扭转效应也越来越显著,客观上要求增强箱梁桥的整体刚度。但目前许多设计都没有充分考虑这一因素,建议多采用双箱或多箱结构,主梁箱宽不宜大于桥面全宽的1/2,且箱梁的长边与短边之比不宜大于4,否则应设置成多箱室;加强端横隔梁和支座横隔梁,为

防止该处开裂,建议人孔洞口设为椭圆形,并按椭圆形配置构造钢筋。

4．边中跨比

边跨与中跨之比是否合适直接影响到结构的受力合理性。若边跨与主跨之比太大,边跨支架施工梁段长度偏长,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,在恒载

与活载的作用下,边跨现浇段部分会出现较大的主拉应力,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,近边墩的墩身内力远大于近中墩的墩身内力,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,使过渡墩和边墩受力不合理,则近边跨的墩身轴向压力小,容易造成主墩受力不均衡。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。也正是由于梁式桥结构的如上特点,可以适当调整各跨的刚度。目前一般情况下,边跨与中跨之比控制在0.55~0.65之间。

5．高跨比

2004版桥梁规范实施后,荷载作用进一步加大,而应力控制标准也进一步严格,更重点强调了对桥梁耐久性的设计。据此,采用合适梁高,适当增大截面总刚度,建议根部梁高控制在l/18—l/16(l为跨径),跨中梁高控制在l/3—l/34左右。

6．箱梁底线形

在1/4跨径处容易出现应力不满足现象,主应力一般也在此处偏大,在大跨度桥梁中更加明显,是裂缝高发部位。为解决以上问题,建议梁底采用低次抛物线或分段采用高次样条曲线拟合的方法。

二、预应力构造设计优化

变截面梁式桥采用顶、底板两种类型纵向预应力钢束分别抵抗主梁结构在施工和使用荷载作用下各断面产生的正负弯矩,钢束布置恰当与否,关系到其能否充分发挥作用,影响箱梁横向受力,该部分优化设计要点如下。

1. 顶底板束布置与锚固

根据应力扩散原理,布置在底板靠中心处的纵向预应力要从锚固断面延伸很长一段距离,方能达到全断面受力的效果。设计中需尽量将钢束布置在腹板附近,顶板纵向预应力一般尽量锚固在腹板纵向承托中,必要时适当平弯,底板钢束则尽可能锚固在靠近腹板的齿板上,这样布置使结构传力直接迅速、均匀。顶、底板锚固钢束位置应适当间隔,避免交错长度短于预应力扩散距离而在混凝土中产生局部拉应力。同时,由于底板钢束靠近腹板,预应力的径向分力对底板产生的弯曲效应也大大减小。为减小预应力锚固点集中使顶板产生拉应力,边跨底板钢束可分段锚固,不必全部锚固在梁端断面上。边跨现浇和合拢段底板钢束可适当增加,防止由于施工一次落架梁体产生过大下沉或者施加预应力时施工模板与梁体的粘结力对梁体产生牵引作用对结构产生的不利影响。

2．底板防崩

跨中箱梁纵向预应力的径向分力不容忽视,箱梁的梁高一般采用抛物线或圆曲线变化,同时各梁段内完全采用直线连接,梁段接头处出现折角。这样纵向预应力完全沿底板行走将导致较大的径向分力,对箱梁底板产生弯矩,并引起箱梁底板内部竖向受拉。由于底板布置了较多的纵向预应力管道,使得混凝土人为地分成了两层,极易造成混凝土劈裂。设计中应注意底板横向钢筋的量是否足够底板抗弯,必要时可在中跨一定范围内设置底板横向预应力。同时箱

梁中跨跨中及边跨现浇段与悬臂端相接处底板的纵向预应力管道宜尽量靠近底板上缘布置,即可紧贴箱梁底板的上层钢筋,以增大截面抵抗钢束径向力的抗剪厚度。跨中底板防崩钢筋可做成“[”形和封闭箍筋,如果采用“[”形钢筋,则应确保卡住底板上下缘横筋,如为封闭箍筋则应将开口端向上设置。若为底板的齿板防崩钢筋,则箍筋的开口向下设置,如图1所示。

图1底板纵向预应力防崩钢筋构造图

3．应力损失弥补

桥梁运营阶段纵向预应力的有效应力较低是大跨梁式桥跨中下挠的主要原因之一,有效预应力可能随着时间推移而降低。设计阶段目前通常采用如下两种构造补救措施:一是预留体内备用钢束,管道预埋好,不穿钢绞线,封住喇叭口,需要时打开喇叭口,张拉钢绞线再灌浆;二是预留体外预应力钢束,根据桥梁运营情况,需要时再张拉。上述构造措施在设计阶段是不容忽视的。

4．顶板束下弯抗剪

有些桥梁纵向预应力钢束中不设置下弯束,这样使预应力钢束使用效率提高,施工方便,但是对支点附近断面和支点到1/4跨径范围内结构抵抗剪力和主拉应力不利。建议在桥梁支点断面和支点到1/4跨径范围外可采用直束布置,而在桥梁支点断面和支点到1/4跨径范围内适当设置下弯预应力钢束。由于钢束长度较短,对预应力钢束使用效率影响较小,对结构抵抗剪应力和主拉应力效果却较明