第3章 30×3 预应力混凝土小箱梁设计-丁朝勇

第3章 30×3 预应力混凝土小箱梁设计

3.1 设计资料及基本数据

高速公路，设计行车速度80km/h ；桥面宽度：0.50m （防撞护栏）+11.25（行车道）+0.50m （防撞护栏）=12.25m ；设计荷载：公路—Ⅰ级，防撞护栏按顺桥向7kN/m 计；混凝土C50：用于箱梁、湿接缝。C40：箱梁调平层；C30：用于桥墩承台、墩身、盖梁、台帽、背墙和防撞护栏；C25:用于桥墩承台的基础。钢筋混混凝土重度取26kN/m 。钢材预应力钢绞线（1×7股）：其标准强度pk f =1860MPa ，公称直d=15.2mm ，面积为1402mm ，弹性模量5

p E 1.9510MPa =⨯。非预应力钢筋：采用HRB400，sk f =400MPa ，5

p E 2.010MPa =⨯。锚具：对于钢绞线采用OVM 锚具。

支座：引桥采用圆形板式橡胶支座，连续端墩顶采用GYZ375×77、非连续端采用GYZF4250×65。其产品性能应符合交通行业标准《公路桥梁盆式橡胶支座》（JT 391-1999）和《公路桥梁板式橡胶支座》（JT/T 4-2004）的有关规定。

伸缩缝：采用模数式伸缩缝，1号墩处采用MF160型伸缩缝，在引桥梁端与桥台背墙间采用MF80伸缩缝。伸缩缝的材料及其成品的技术要求应符合交通行业标准《公路桥梁伸缩装置》（JT/T 327-2004）的有关规定。

桥面铺装：桥面铺装采用10cm 厚沥青混凝土，沥青混凝土重度取23kN/m 。并设置8cm 水泥混凝土调平，桥面防水采用FYT —1型防水材料。

3.2 桥位布置及构造设计 3.2.1 桥位布置

本设计为大桥的引桥，引桥上部结构采用3×30m 预应力混凝土组合箱梁，施工方法为先简支后连续。引桥下部构造及过渡墩：墩身采用空心薄壁墩，上设盖梁，壁厚0.50m ，钢筋混凝土结构。过渡墩采用1.80m 挖孔灌注桩基础，引桥桥墩采用1.50m 挖孔灌注桩基础，具体桥位布置如图3-1所示。

图3-1 桥位布置图（尺寸单位cm）

3.2.2 孔径划分

成桥状态下，引桥长8980cm，即在桥的两头各设10cm的伸缩缝，两边孔计算跨径为2950cm，中孔计算跨径为3000cm。连续梁两端至边支座中心线之间的距离为40cm，桥跨结构计算简图如图3-2所示。

图3-2 桥跨结构计算简图（尺寸单位cm）

3.2.3 构造设计

（1）横截面

横截面采用等高度箱型截面。梁高1.40m，高跨比1/21.43。桥面宽度为3×3.75＋2×0.5＝12.25m。由于采用先简支后连续的施工方法，主梁先在工厂预制，再运输、吊装就位，考虑吊运能力，将全桥做成四个单箱单室的轴对称的组合截面。其中，预制中梁顶板宽2.40m，预制边梁

顶板宽2.70m，底板宽均为1.00m，预制主梁间采用0.60m的横向湿接缝，以减少主梁的吊装重量，边、中梁均采用斜腹板，以减轻主梁自重，桥面横坡采用2%，梁底采用垫石调平。

为满足顶板负弯矩钢束、普通钢筋的布置及轮载的局部作用，箱梁顶板取等厚度18cm，同时为了防止应力集中和便于脱模，在腹板与顶板交界处设置15cm×7.3cm的承托，如图3-3所示。

图3-3 标准横断面（尺寸单位cm）

（2）箱梁底板和腹板厚度

底板：先简支后连续施工的连续梁桥跨中正弯矩较大，因此底板厚度不宜过大；同时中支点处也存在负弯矩，底板要有一定的厚度来提供受压面积。因此将底板厚度在跨内大部分区域设为18cm，仅在距边支点160cm和中支点220cm处开始加厚，加厚区段长均为150cm，且底板逐渐加厚至25cm，这样的构造处理同时为锚固底板预应力束提供了空间，箱梁底板厚度变化如图3-4所示。

图3-4 箱梁底板构造图（尺寸单位cm）

腹板厚度：根据连续梁剪力变化规律，兼顾施工方便，腹板宽度除在支点附近区域加宽外，其余均为18cm，在在距边支点160cm和中支点220cm处开始加厚，加厚区段长均为150cm，且底板逐渐加厚值25cm，如图3-5所示。

图3-5 箱梁腹板构造图（尺寸单位cm）

经过腹板和底板厚度变化，得到跨中和支点横截面构造图，如图3-6所示。

图3-6 跨中横截面构造图（尺寸单位cm）

（3）横隔梁（板）

为保证支座处传力的可靠性，在边永久支承处设置一道20cm的端横隔梁，在中永久支承处设置一道30cm的横隔梁。此外预制阶段在中支承处设一10cm的临时横隔板，如图3-7所示。

图3-7 横隔梁设置（尺寸单位cm）

3.2.4 截面几何特性计算

截面几何特性是结构内力进而估算配置预应力束的前提。本设计应用CAD软件计算毛截面几何特性，由于本设计主梁截面变化不大，故只计算预制中梁、边梁和成桥后中梁、边梁的跨中和支点截面的毛截面几何特性，腹板厚度变化处采用支点和跨中处截面特性进行线性内插。毛截面几何特性计算结果见表3-1。

表3-1 毛截面几何特性计算结果

3.3 作用内力计算

3.3.1 施工阶段划分

由于本设计采用简支后连续的施工方法，结构体系在施工中发生变化，对结构内力影响比较大，故在采用有限元计算时必须正确处理边界条件。而在边界处理之前必须明确施工过程，以便合理进行内力计算。故对施工阶段划分如下：

第一施工阶段：本阶段预制主梁，待混凝土达到设计强度100%后，张拉正弯矩区预应力筋束，并压注水泥浆，再将各跨箱梁安装就位，形成临时支座支承的简支梁。本阶段用时大约50天；

第二施工阶段：同时浇筑边跨与中跨之间的连续段接头混凝土，待混凝土达到设计强度100%后，张拉负弯矩区预应力钢束并压注水泥浆。本阶段持续时间大约10天；

第三施工阶段：拆除全桥临时支座，主梁支承在永久支座上，完成体系转换，再完成主梁间横向湿接缝的浇筑，最后形成3跨连续梁。本阶段持续时间大约10天；

第四施工阶段：进行桥面钢筋混凝土找平层和防撞护栏施工，以及桥面铺装等后续工作的作业，完成全桥施工。本阶段持续时间大约15天。

3.3.2 建立Midas 模型

结合施工方法、使用阶段结构受力特性和预应力筋的布置，在各跨的1/4,1/2,3/4跨处，临时支点中心，永久支点中心，变截面起、始点，预应力筋的对称点，起弯点，弯起结束点和锚固点处，另外为了便于车道荷载建立，在奇数跨度处，即x 坐标从1-89m ，设置节点并建立单元，如图3-8所示。全桥共324个单元，由于节点和单元众多，逐一给出计算结果数据太多，为了简洁，下面的计算过程均只示出半跨边梁的各截面计算结果。

图3-8 特征截面划分（半跨边梁）

3.3.3 永久作用内力计算

根据《桥规》第4.1.1条规定，公路桥涵设计采用的作用分为永久作用、可变作用、偶然作用和地震作用。本列不考虑偶然作用和地震作用。

其中，配置预应力筋前，永久作用只计结构重力作用和基础变位作用，可变作用计汽车作用和温度作用，各作用的具体计算均按《桥规》相关规定进行。

（1）结构重力作用的形成

由施工阶段划分可知，本桥的结构重力是分几个阶段形成的，主要包括由第一施工阶段形成的预制箱梁一期结构重力集度（1g ），第二、三施工阶段形成的成桥箱梁一期结构重力集度（2g ）和第四施工阶段形成的成桥二期结构重力集度（3g ）。

预制箱梁一期结构重力集度（1g ）