談預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的概念設(shè)計(jì)

劉經(jīng)偉　汪　磊

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南昆明　650011)

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談預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的概念設(shè)計(jì)

劉經(jīng)偉汪磊

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650011)

摘要:針對近些年來我國交通事業(yè)向海外進(jìn)一步發(fā)展的現(xiàn)狀，按照歐洲設(shè)計(jì)習(xí)慣，從主梁形式、橋跨布置、預(yù)應(yīng)力等環(huán)節(jié)，提取了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁概念設(shè)計(jì)的過程和內(nèi)容，為國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞:橋梁，混凝土箱梁，跨徑，預(yù)應(yīng)力

0　引言

橋型選擇、橋跨布置、總方案確定等受到多種因素的影響。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁跨徑從25 m的單跨橋到跨徑大于400 m的斜拉橋，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣。而小跨徑的橋梁，鋼筋混凝土橋經(jīng)濟(jì)性更好;跨徑大于400 m的橋梁，鋼結(jié)構(gòu)或鋼—混組合結(jié)構(gòu)斜拉橋因其自身重量較輕而廣泛采用?？鐝皆?5 m～40 m之間的橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，在經(jīng)濟(jì)性和美觀性上更勝一籌。圖1為不同混凝土橋梁的典型跨徑的一般布置原則。

圖1　預(yù)應(yīng)力混凝土主梁通常的跨徑布置（單位：m）

1　橋面類型

橋梁結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)運(yùn)用極為常見。主梁通過先張法或者后張法預(yù)應(yīng)力鋼束制成預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁或者板梁。制作形式為現(xiàn)澆或預(yù)制，安裝方式為吊裝或頂推。主梁最終可是簡支結(jié)構(gòu)、連續(xù)跨結(jié)構(gòu)以及斜拉結(jié)構(gòu)形式。

一些小跨徑橋梁，有時進(jìn)行現(xiàn)場澆筑混凝土空心板，一方面可以減輕結(jié)構(gòu)自重、斷面面積，另一方面則發(fā)揮預(yù)應(yīng)力的作用效果。但小跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)通常采用預(yù)制梁更為經(jīng)濟(jì)，因此，空心板橋的應(yīng)用不多。對于中、小跨徑的橋梁，通常采用現(xiàn)澆混凝土橋面板的預(yù)制板，特別在預(yù)制設(shè)備的位置，可以極大地縮減造價。從成本的角度分析，跨徑達(dá)30 m的預(yù)制梁要優(yōu)于現(xiàn)澆鋼混結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。通過先張法和后張法施工制作“I”形、“T”形和“U”形等各種類型的梁結(jié)構(gòu)。對于多跨長線的高架橋梁，因?yàn)轭A(yù)制梁周期制作快的特點(diǎn)而節(jié)約工程成本被經(jīng)常采用。

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁通常運(yùn)用于大、中跨徑橋梁，分為單室和多室類型。由于箱梁結(jié)構(gòu)具有較好的抗彎剛度和幾何條件等特點(diǎn)在曲線橋梁中被廣泛采用。這種主梁結(jié)構(gòu)可以有多種方案和施工技術(shù)的選擇，因此其適用性較廣，不受場地條件的限制。

橋梁運(yùn)營后需要經(jīng)常進(jìn)行檢測和養(yǎng)護(hù)，為了保證作業(yè)人員能夠方便進(jìn)入箱梁內(nèi)部，因此箱梁的高度不應(yīng)小于1．8 m，從施工的角度考慮，箱梁的高度要求大于1．2 m。橋梁跨徑小于35 m，通常采用預(yù)制梁、現(xiàn)澆的鋼混或者鋼結(jié)構(gòu)梁。

跨徑50 m左右的現(xiàn)澆混凝土箱梁通常需安裝支架結(jié)構(gòu)或者頂推到位。超過50 m跨徑的橋梁，則采用移動模架進(jìn)行平衡懸臂現(xiàn)澆混凝土。圖2為移動模架施工圖。

圖2　現(xiàn)澆箱梁施工

在預(yù)制單室或者雙室混凝土箱梁時，可按照階段或者整跨長度的形式進(jìn)行預(yù)制。為了保證各節(jié)段箱梁在預(yù)制、運(yùn)輸和安裝中節(jié)約造價成本，通常需確定一個長度作為典型節(jié)段長度。由于橋梁整跨結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件自重很大，需要通過大型的吊裝和運(yùn)輸設(shè)備，這種方法給長線高架橋帶來了高效率和低成本費(fèi)用。

通常由于工期的限制和場地的干擾，可以大量推廣使用帶企口接縫的預(yù)制梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。出于對預(yù)制場地的建設(shè)、租賃大型的運(yùn)輸和吊裝機(jī)械的成本考慮，通常規(guī)定大于2 km的橋梁才使用這種方法來反映此方法的優(yōu)勢。

圖3　預(yù)制及架設(shè)節(jié)段箱梁

當(dāng)遇到主梁下面地形或者環(huán)境的限制難以選取合適的施工方案時，箱梁的施工使用頂推法較為合適。主梁可以在橋臺后面分段預(yù)制后再逐一頂推就位。這種頂推施工的設(shè)計(jì)需要消耗更多的鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋以及混凝土材料，但是相對于其他施工方法，該方法可以節(jié)省許多設(shè)備和臨時設(shè)施所產(chǎn)生的成本投資。

一些超大跨徑的混凝土箱梁，需要增大梁高。目前，平衡懸臂現(xiàn)澆箱梁達(dá)到的跨徑有250 m。對于這種大跨徑的箱梁橋，梁高可以超過12 m，橋梁的美觀受到了嚴(yán)重的影響。而斜拉橋是一種主梁相對較薄的橋梁類型。通過平衡懸臂法澆筑施工形成的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的跨徑可達(dá)到500 m。選擇斜拉橋結(jié)構(gòu)原因不僅因?yàn)閮艨蘸兔烙^的要求，而且相對于其他結(jié)構(gòu)形式的橋梁，跨徑在200 m以下的橋梁，斜拉橋造價更大。從經(jīng)濟(jì)和成本的角度出發(fā)，對于跨徑大于500 m的橋梁，通常采用鋼結(jié)構(gòu)或者鋼混結(jié)構(gòu)的雙塔式斜拉橋。表1列舉了各類常見主梁形式及其優(yōu)劣

表1　各類常見主梁形式及其優(yōu)劣對比

2　主梁布置

由于地形條件為確定環(huán)境，設(shè)計(jì)師通常針對特定地形考慮多種橋型?？紤]到除地形以外的其他因素時，選擇范圍會因此減小。圖4為對于不同跨徑的主梁形式，給出了選擇單跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁一般采用的橋型范圍。當(dāng)橋梁跨越鐵路線時，通常使用預(yù)制梁更合理，由于預(yù)制梁可以避免很多施工過程風(fēng)險和減少對鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生影響。同時，對于跨越小型河流的橋梁，預(yù)制梁既可減少施工支架也可避免對河流流域的侵害。對于跨徑較大的橋梁，箱梁的選擇要更有優(yōu)勢。在跨越路線和流域等障礙物的大跨徑箱梁橋，通常采用頂推法進(jìn)行施工或者主梁進(jìn)行分段預(yù)制再進(jìn)行拼裝。

圖4　單跨梁的選擇路徑

由于美觀和經(jīng)濟(jì)等原則，一些多跨橋梁和高架橋通常其跨徑要大于30 m，主梁結(jié)構(gòu)可以采用箱梁或者預(yù)制板梁。預(yù)制板梁一般適用于橋梁跨徑小于40 m，這是由于預(yù)制板梁的跨徑過大就需要采用專門的吊裝設(shè)備。當(dāng)需要跨越峽谷等障礙時，頂推箱梁是一種合理的方法。圖5為一些常用主梁選擇的一般標(biāo)準(zhǔn)圖。

圖5　多跨梁的選擇路徑

在考慮主梁的結(jié)構(gòu)形式和確定主梁的截面尺寸時，首先應(yīng)該結(jié)合以往相似的工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，來選取合理的主梁形式、橫斷面尺寸和主梁混凝土的厚度。隨后再依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、不同的設(shè)計(jì)荷載和現(xiàn)場的各環(huán)境因素開展詳細(xì)設(shè)計(jì)和方案優(yōu)化。

橋梁的美觀性、耐久性以及實(shí)施可行性都會對橋梁的主梁形式和其他設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)產(chǎn)生一定影響。橋梁的建造不僅僅要滿足美學(xué)要求還要與周邊環(huán)境相互和諧。耐久性通常決定橋梁細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但一般不影響橋梁的總體結(jié)構(gòu)。橋梁建設(shè)的地形和地質(zhì)條件極為復(fù)雜，施工難度極大，這種情況下施工能力成為了橋梁結(jié)構(gòu)類型的主導(dǎo)因素。

3　聯(lián)結(jié)與跨徑

對于總長度小于60 m的橋梁，通常將主梁與墩臺連接成一體而形成連續(xù)橋面。這種結(jié)構(gòu)形式具有減少支座和伸縮縫數(shù)量和避免這些因素引起的養(yǎng)護(hù)難的優(yōu)點(diǎn)。對于橋梁長度較長的結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)實(shí)際條件盡量的加大主梁的連續(xù)長度。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁可建造的連續(xù)橋長1．7 km，斜拉橋的伸縮縫之間的混凝土結(jié)構(gòu)修建的連續(xù)長度可達(dá)800 m。位于主梁的伸縮縫通常設(shè)置在有支撐結(jié)構(gòu)而定橋臺或墩臺處，同時需要考慮伸縮縫等結(jié)構(gòu)的檢查通道能否達(dá)到檢修點(diǎn)。要盡可能的避免采用半伸縮縫連接，當(dāng)有足夠的工作場地可以對支座和伸縮縫進(jìn)行檢查、維護(hù)及更換，可適當(dāng)考慮。為了防止因材料徐變和預(yù)應(yīng)力損失引起的結(jié)構(gòu)變形，應(yīng)盡量不設(shè)半伸縮縫或鉸接等。

橋梁結(jié)構(gòu)的類型和結(jié)構(gòu)剛度直接決定了主梁與墩臺的支座設(shè)置。頂推法施工箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)該設(shè)置支座使頂推順利進(jìn)行;預(yù)制節(jié)段的箱梁結(jié)構(gòu)通過設(shè)置支座來使安裝簡便;就地澆筑的混凝土板梁可加設(shè)支座，當(dāng)就地澆筑的混凝土梁板橋上部結(jié)構(gòu)變位對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力較小時，可設(shè)置支座，并與下部結(jié)構(gòu)結(jié)合為整體。

在平曲線上進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時要特別重視聯(lián)接問題。由于曲梁總是向著有效的“固定點(diǎn)”縮短或伸長，當(dāng)導(dǎo)向支座設(shè)置成平行于主梁的朝向時，支座內(nèi)會引起不同水平向的荷載。因而很多設(shè)計(jì)人員更傾向于將導(dǎo)向支座的方向設(shè)計(jì)成與固定點(diǎn)方向相同。但對于一些曲線較長的橋和小半徑的曲線橋梁，通常會引起一些關(guān)于伸縮縫橫向位移的問題。

通常要求支座橫向偏置于在結(jié)構(gòu)中心線或者是將主梁與下部結(jié)構(gòu)連成一起來避免曲線橋?qū)χ髁航Y(jié)構(gòu)傾覆和扭轉(zhuǎn)的影響。地形等條件影響橋跨的布置，所以需要盡量的使選取的上部結(jié)構(gòu)形式與橋跨布置條件相適應(yīng)。

采用長度相等的預(yù)制梁可以達(dá)到施工設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化;當(dāng)為連續(xù)混凝土箱梁結(jié)構(gòu)時，為了平衡正負(fù)彎矩，橋墩的布置應(yīng)遵循邊跨跨徑在相鄰內(nèi)跨跨徑的70%左右。當(dāng)主梁結(jié)構(gòu)使用平衡懸臂澆筑施工，為了避免邊墩懸臂的不平衡彎矩，應(yīng)減少邊跨的長度到相鄰內(nèi)跨跨徑的60%左右。當(dāng)連續(xù)梁的邊跨跨徑小于上述要求的大小，就會使邊支座上產(chǎn)生拉應(yīng)力，此時就需要采取一定的措施來抵抗這種拉力。

公路、鐵路及通航河流的凈空要求決定了橋梁的最小跨徑及高度。高跨比為1∶3的橋梁在視覺上能夠達(dá)到最佳的平衡感，對于一些特別要求的橋墩來講是很難保證的。對于較短長度的橋梁來說，跨數(shù)較少，但為了使得跨間平衡及視覺美觀，通常設(shè)置成3跨或5跨。

4　預(yù)應(yīng)力體系

以往設(shè)計(jì)、施工以及耐久性方面是體內(nèi)外后張預(yù)應(yīng)力鋼束經(jīng)常遇到的問題。通過對問題的總結(jié)和實(shí)踐，這類問題在設(shè)計(jì)和施工中逐漸形成了一種能夠熟練使用兩種預(yù)應(yīng)力體系的基礎(chǔ)。在預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要選擇體內(nèi)或者體外鋼束或者同時采用兩種形式的鋼束。通過對比兩種形式的鋼束，體外鋼束的優(yōu)點(diǎn)如下:

1)為了簡便梁段的澆筑施工，可以在腹板和翼板內(nèi)不設(shè)置預(yù)應(yīng)力管道。這樣有利于模板和架立鋼筋的布置及混凝土的養(yǎng)生。2)腹板的厚度因取消預(yù)應(yīng)力管道變得更薄，減輕了結(jié)構(gòu)的自重和減少了工程的成本。3)預(yù)制節(jié)段結(jié)構(gòu)，當(dāng)該地區(qū)的條件允許，可以采用干接縫，極大地簡化了主梁的安裝，加速了建造的速度，有利于降低施工成本。4)體外鋼束可以方便達(dá)到預(yù)應(yīng)力管道的任何位置，提高了安裝的效率。預(yù)應(yīng)力鋼束不會發(fā)生堵塞管道的現(xiàn)象，施工順暢。5)鋼束的布置極為簡單。6)由于可以直接接觸管道，因此可以保證灌漿的順利，并且不會產(chǎn)生漏漿和堵塞等問題。7)避免高強(qiáng)鋼絞線因摩擦產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。8)施工和后期的養(yǎng)護(hù)及維修簡便。9)鋼束的后期更換較為容易。10)根據(jù)后期的需求，可以增設(shè)附加鋼束來進(jìn)行主梁升級和提高承載力。

但體外鋼束的缺點(diǎn)如下:

1)體外鋼束通常使用HDPE管材進(jìn)行防護(hù)，管道需要填蠟或者灌水泥漿，對于前期來說，材料的成本投入較大。2)通過增加預(yù)應(yīng)力材料的數(shù)量來減小控制性斷面鋼索的偏心距，不利于成本控制。3)在極限抗彎條件下，通過增加預(yù)應(yīng)力來承受抗彎力矩。4)基本是依靠錨具來維持結(jié)構(gòu)的整體預(yù)應(yīng)力，一旦錨具產(chǎn)生故障，整個鋼索預(yù)應(yīng)力就會失效。5)由于錨固點(diǎn)、轉(zhuǎn)向塊存在較大的集中力，因而通常錨固于主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)。6)當(dāng)鋼索的自由長度過長時，鋼索會容易引起震動，隨之引發(fā)疲勞破壞和材料腐蝕的現(xiàn)象。7)外露的鋼索容易遭受外界事故而產(chǎn)生損壞。

體內(nèi)和體外鋼束各有各自的優(yōu)點(diǎn)，選擇時應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況和借鑒以往經(jīng)驗(yàn)，也可以同時采用，以達(dá)到取長補(bǔ)短作用，發(fā)揮各自優(yōu)勢。

5　結(jié)語

由于國際關(guān)系的進(jìn)一步合作和企業(yè)自身的發(fā)展，交通建設(shè)逐步向海外擴(kuò)展，承擔(dān)著越來越多的國外橋梁設(shè)計(jì)任務(wù)，因此需要了解國外橋梁設(shè)計(jì)的內(nèi)容和過程，本文針對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，按照歐洲設(shè)計(jì)習(xí)慣提取了主梁形式、橋跨布置、預(yù)應(yīng)力等概念設(shè)計(jì)的過程和內(nèi)容，希望這些內(nèi)容的總結(jié)能夠給國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)提供借鑒。

參考文獻(xiàn):

［1］Nigel R．Hewson．預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工［Z］．Thomas Telford Ltd，2003．

［2］BS5400，鋼、混凝土和結(jié)合梁橋——第四部分:混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］AASHTO，公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［S］．

［4］蒙昊．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的概念設(shè)計(jì)［D］．成都:西南交通大學(xué)碩士論文，2013．

［5］梁曉飛．體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)理論與方法研究［D］．西安:長安大學(xué)碩士論文，2005．

中圖分類號:U442

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0190-03

收稿日期:2016-04-02

作者簡介:劉經(jīng)偉(1984-)，男，工程師;汪磊(1978-)，男，高級工程師對比。

Discussion on the concept design of prestressed concrete bridge

Liu JingweiWang Lei
(Yunnan Academy of Traffic Planning＆Design，Kunming 650011，China)

Abstract:In light of overseas traffic industry development status，the paper collects prestressed concrete bridge concept design process and contents from aspects of major beam forms，bridge span distribution and prestress according to European design habits，which has provided some guidance for prestressed concrete bridge design at home and abroad．

Key words:bridge，concrete box girder，span，prestress