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8 6 桥梁结构 城市道桥与防洪 2 0 1 1 年6 月第6 期 预应力混凝土箱梁结构设计探讨 胡会 勇 广州市市政工程设计研究院， 广东广州 5 1 0 0 6 0 摘 要 昆明市二环全长 2 7 ． 0 7 k m， 为城市快速路高架桥系统， 其中东环 、 北二环长约 1 3 ． 5 k m。 该文对昆明二环中出现的预应 力连续箱梁的设计进行介绍和总结 ， 讨论了梁端张拉方式的处理 ， 旅工缝处钢束的处理方式， 可供其它同类工程参考。 关键词 昆明二环； 预应力； 连续箱梁 ； 配束 ； 张拉方式 中图分类号 U 4 4 8 ． 2 1 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 7 7 1 6 2 0 1 1 0 6 0 0 8 6 0 3 0 引言 预应力连续箱梁因具有造型简洁美观，结构 刚度大， 伸缩缝少， 行车平顺性好 ， 抗震能力强等 特点，所以在昆明市主城二环快速系统改扩建工 程中， 超过 2 5 m跨的上部结构采用预应力连续箱 梁。本文通过工程实践对中小跨径的预应力箱梁 进行分析， 以起到总结提高的作用。 该工 程 主要 技术 标准 为 汽 车荷 载 城 一A； 验算荷载 公路 一 I 级 ； 设计车速 主线 6 0 k m ／ h ， 匝道 3 O 4 0 k m ／ h ； 桥面铺装 沥青混凝土铺装厚 1 0 c m ； 防撞护栏 单侧 1 0 k N ／ m ； 花槽 单侧 3 ．5 k N ／m； 基础沉降均按 1 0 m m计算 ；桥梁设计安全等级 二级； 构件重要性系数 1 ． 0 。 1 预应力连续箱梁的构造 1 ． 1跨径布置与横断面 等截面连续箱梁一般采用等跨布置或不等跨 布置，等截面连续梁的边 中跨比一般 1 ／ 1 5 ～ 1 ／ 2 5 ， 高跨比 1 ／ 1 5 ～ 1 ／ 2 0 ；变截面连续箱梁的高跨 比 跨 中截 面 多 采 用 1 ／ 2 5 1 ／ 4 0 ，支 点 截 面 多 采 用 1 ／ 1 5 ～ 1 ／ 2 5 。该工程根据实际情况，主要跨径组合 为 23 5 m， 32 8 m， 33 0 m， 43 0 m， 53 0 m， 43 5 m， 4 X 3 6 n r l ， 3 5 5 2 3 5 I T I ， 3 5 5 4 3 5 m， 3 6 in以下的均采用等高度连续箱梁。为了使线形 美观 ， 工整划一 ， 均采用 1 ． 8 m的梁高 ， 高跨 比为 1 ／ 1 5 ．5 ～ 1 ／ 2 0 ； 3 5 5 2 3 5 m， 3 5 5 4 3 5 m采用变截 面梁高， 最小边跨比为O ．6 5 ， 跨中截面梁高 1 ．8 r n ， 高 跨比为 1 ／ 3 0 ， 支座截面梁高 2 ． 8 m， 高跨比为 1 ／ 1 9 ， 变 截面连续箱梁梁底采用二次变化抛物线形式，即满 足了受力的需要， 又使得梁体线性显得匀称流畅。 预应力混凝土箱梁根据桥面宽度一般采用单 箱单室、 单箱多室， 多箱单室 、 多箱多室的截面形 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 1 0 作者简介 胡 会 勇 1 9 8 1 一 ， 男 ， 河南 郑州 人 ， 硕士 ， 从 事桥 梁 与隧 道工 程设计 工作 。 式 ，在实际工程中小于 1 3 m桥宽的采用单箱单 室 ， 1 3 ～ 1 7 I n 采用单箱双室 ， 1 7 1T I一 2 1 m采用单箱 三室， 2 1 m采用单箱四室截面。箱梁边腹板采用 斜腹板 ， 在与顶 、 底板相接处设 置圆弧倒 角 。 1 ． 2 腹板及厚度 腹板厚度主要有通常钢束及腹板内各类普通 钢筋的构造来决定 ，在支点附近还要满足截面抗 剪的要求 ， 中腹板跨中段厚度一般为 4 5 c m， 支点 段腹板厚度一般为 6 0 c m， 采取 渐变处理 。 1 ． 3 顶 底板厚度 顶底板厚度应根据箱 室的宽度确定 ，一般不 小于 2 0 c m，还应满 足预应力钢筋 和普通 钢筋 的 保护层要求。 等高预应力连续箱梁， 顶板采用等厚 2 2 C lT I ， 局部箱室变宽处采用 2 4 e m ， 底板采用 2 2 c m， 在支点处渐变为2 8 c m。 变高连续箱梁， 顶板采用等 厚 2 4 c m， 底板采用 2 4 13 1／ 1 ， 在支点处渐变为 5 0 c m。 1 ． 4 箱梁悬臂长度 箱梁悬臂长度一般根据桥宽及箱室数来确 定 ， 一般不宜大于 3 m。该工程中， 1 3 m及其以上 桥宽采用 3 m， 9 m桥宽采用 2 IT I ， 8 IT I 桥宽采用 1 ．6 m， 7 m桥宽采用 1 ．2 m， 悬臂端部统一采用 1 5 c m， 不同桥宽悬臂板底部采用统一的斜率变化 ，悬臂 板根部 厚度 2 6 ． 2 ～ 4 5 c m。 以 1 3 m桥宽为例， 梁高 1 ．8 In ， 翼板长度为 3 ．0 m， 顶板等厚 2 2 c m。边腹板采用斜腹板 ， 在与顶 、 底 板相接处设 置圆弧倒角 ，厚 度为 4 7 ． 46 3 ． 2 c m， 中腹板采用 直腹板 ， 厚度 为 4 5～6 0 c m， 底 板厚度 为 2 2 2 8 c m。1 3 m桥宽的横断面如图 I所示 。 6 5 0 6 5 0 图 1 1 3 m箱 梁横 断面 图 单位 c m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 6 月第 6 期 城市道桥与防 洪 桥梁结构 8 7 2 配束 预应力连续箱梁 的钢束 形式 ，与桥梁结构体 系、受力情况、结构形式、施工方法都有密切关 系 ，不 同的施 工方法对钢束 的配束形式有很大 的 影 响。 2 ． 1 施工方法的确定 对于中小跨径的预应力连续箱梁 ， 一般采用 满堂支架整体现浇进行施工， 不存在体系转换 ， 配 束简单。满堂支架施工整体现浇连续箱梁联长不 宜太 长 ， 一般控制在 1 5 0 m 以内 ， 以免 由于一次张 拉过长的钢束引起过大的预应力损失。联长超过 1 5 0 m的采用分阶段施工 ， 钢束设置连接器， 分阶 段 张拉 ， 施工缝位置设置在 1 ／ 4 ～ 1 ／ 5 L处 。 实际工程 中 4跨一联及 5 跨一联的采用分两阶段施工 ， 其 余采用一次性满堂支架现浇。 钢束类型一般采用 1 5 ． 2 1 2 1 9钢束 ， 尽量 靠近腹板配置钢束 ，仍然不够时可以在腹板的倒 角处布置， 以便提高钢束的利用率， 尽量采用通常 钢束 ， 减少短束， 以减少张拉次数及齿块数量。布 置形式要根据钢束的锚固及张拉空间，同时考虑 施工缝及施工顺序。1 3 m桥宽的钢束布置横断面 如 图 2所示 ，一个腹板 内配 。 1 5 ． 2 1 5的通长 钢 束 6 束 ， 整个截面 1 8 束 1 5 ． 2 1 5 。 图 2 1 3 m箱梁钢束布置横断面图 单位 c m 匿 2 ．2 计算中应考虑的问题 连续箱梁的内力分析一般采用平面杆系或者 空间分析两种计算方法，对于直线或者半径较大 的的曲线桥梁一般采用平面杆系分析方法 ，对于 半径较小的曲线桥梁则要按照空间分析方法计 算 ，实际设计中大多采用桥梁博士， M i d a s 等结构 内力分析软件。由于整个工程类型较多，计算量 大， 考虑建模快捷 ， 调束方便， 故选用桥梁博士进 行 结构内力分析 。 结构内力计算包括永久荷载 内力计算及可 变荷载 内力计算，永久荷载主要考虑箱梁 自重 、 桥面系 自重 、 收缩徐变 、 基础变位影响， 可变荷载 内力主要考虑汽车荷载、 人群荷载 、 温度梯度等 影响 。 预应 力连续 箱梁 可按 全 预应力 构 件设 计， 也 可按部分预应力 A类构件设计。考虑到新桥规对 耐久性要求更高一些，所以截面应力控制也更为 严格，该工程采用全预应力构件进行计算。 由于理论计算模式和计算结果往往与工程实 际情况存在差异 ， 加上一些在设计时难以计入的 因素 ， 因此在设计过程中 ， 有必要考虑结构各个 截面的应力要有一定的安全储备，即对使用荷载 作用下截面的正应力和混凝土主拉应力 ， 提供一 定的应力储备， 以便在设计上带来可靠保证 ， 实际 应用 中最 不利截面至少要保证有 0 ． 5 MP a的应力 储备 。 2 ． 3 张拉端的处理方式 昆明二环整个工期时间要求比较紧，为了加 快施工进度， 可以使整个工程全面开工， 相邻联互 不影响 ， 如果采用常规的在梁端张拉方式 ， 则无法 实现。一般有以下几种处理方式 1 在端横梁处开槽 口， 对横梁受力不利。 2 腹板通常钢束在端横梁处弯起直接在腹 板顶处锚固。由于锚固面需要根据钢束大小决定 最小锚固尺寸，如果一个腹板同一排钢束同时弯 起 ，对整个截面受力不利；如果腹板钢束分开弯 起， 因腹板内配了 6 束 ， 弯起段较长， 腹板开 口需 要切断腹板箍筋 ， 故对结构受力也不利。 3 腹板钢束在腹板范围内平弯至箱内张拉。 综合考虑以上方法 ，实际中采用第 2和第 3 种方法的结合 ，在端部采取内腹板及外腹板内侧 的钢束平弯出腹板在箱梁内张拉 ，腹板外侧钢束 在腹板顶部张拉 ， 如图 3 5 所示。 采取此种措施张 拉端不受相邻跨的影响， 可以加快施工速度 ， 缺点 是导致梁端部受力复杂 ，需要底板反拉一排钢束 N 7， 防止端部下缘 出现拉应力。 图 3 梁端横断面图{ 单位 c m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 桥梁结构 城市道桥与防洪 2 0 1 1 年6 月第6 期 图 4梁 端张 拉立面 图 单位 c m 2 3 0 ． 1 5 o 1 5 0 。 ’ - 。 一 一 I 户[ 严 I 1 2 0 I． 15 0 【 2 6 0 I 2 6 O 【 I 。 图 5 梁 端张 拉平面 图 单位 c m 在工期安排不是很紧的情况下 ，尽量合理安 排浇筑顺序 ， 采用正常的张拉方式 ， 以对结构的受 力影响最小 。 2 ． 4 施工缝的处理 由于满堂支架施工 ，一次张拉钢束长度不宜 过长 ， 以减少预应力的损失， 所以对 4跨或者 5跨 一 联 的预应力连续箱梁采用两阶段分段施工， 在 施工缝处要合理地布置钢束的形式。在实际设计 中一般有两种做法 ， 第一种根据梁高和钢束大小 ， 对腹板钢束进行竖弯及平弯，在腹板锚固面上呈 一 竖排排列，对于 1 ． 8 13 3 的梁高最多在腹板可配 4 束，然后多出的两束需要在靠近腹板底板处张 拉， 施工缝底板需要局部加厚 ； 第二种直接在腹板 处平弯 ， 跟梁端 张拉一样进行锚 固 ， 需要施工缝处 腹板根据锚具张拉要求进行加厚。由于第一种方 法需要平弯加竖弯，施工起来比较麻烦 ，不宜操 作， 主要受力钢束放在腹板内利用率较高， 所以采 用了第二种方法 ， 如图 6 所示， 只需要把施工缝范 围的腹板加厚 即可 ， 线型也不用特别进行 处理 。 图 6 施工 缝平 弯示 意图 单位 c m 2 ． 5 钢束 的经 济指标 钢束的经济指标即按每平方米桥面钢绞线的 含量，预应力连续梁除了按照施工阶段和正常使 用阶段混凝土上下缘的应力来控制 ，一般在设计 中还可以根据钢束的经济指标来估算 ，比较方便 快捷， 可以简单的判断配束的合理性。 a G ／ L XB 式中 a 为钢束的经济指标； G为钢束的总重 量 ， k g ； L为计算总桥长 ， m ； B为箱梁顶宽 ， m。 对不 同跨径组合 及桥宽 的预应力连续箱 梁经 济指标进行汇总 ， 如表 l所列 。 表 1 跨数不同模型下的计算结果一览表 从表 1中可知 ， 一般 中小跨径预应力连续箱梁 的钢束经济指标在 2 O ～ 3 0 之间， 设计者可根据结构 尺寸选取钢束的经济指标 ，算出所需钢束重量 ， 然 后可以快速确定钢束的型号和数量， 再根据受力进 行钢束形状的调整， 即可快速的完成调束工作。 3 普通钢筋的设置 预应力连续箱梁f 纵桥 向 一般由正常使用状态 截面应力控制设计，普通钢筋仅按构造配置即可， 腹 板箍筋需按计算配置， 在靠近支点附近范围内配间 距 1 0 e lT l 的直径 1 4 ～ l 6的箍筋， 跨中范围内间距为 1 5 e m直径 1 4的箍筋 ， 腹板箍筋的肢数及间距应根 据计算来确定。对于半径较小 的弯桥 ， 需配置一定 数量的防崩钢筋， 以避免张拉时混凝土的拉崩。 4 结 论 本文针 对昆明市主城二环快速 系统改扩 建工 程中预应力连续梁遇到的问题进行总结 ，提出 以 下必须考虑 的问题 1 根据实际的施工顺序及工期 ， 选择合理的 下转 第 9 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 i 年 6 月第 6 期 图 1 1 考虑 钢筋 和混 凝土 开裂墩 柱钢 筋应 力 图 1 2 墩帽开口凹槽底部钢筋应力 图 1 3 墩帽开口凹槽两侧钢簏应力 正常使用极限状态下，凹槽顶处钢筋最大应 力为 8 3 M P a 。对于正常使用极限状态 ， 裂缝的验 算 目前可以参照的只有 6 ． 4 ． 3和 8 ． 2 ． 8 。 规范 8 ． 2 ． 8 关于深梁的裂缝验算 ， 与普通梁相 比， 只对 c ， 系 数有调整。深梁和花瓶墩柱墩帽受力特征有其一 致性 ，即剪切变形不能忽略，不符合平截面假 定 ， 应力分布 比较复杂 ， 故采用上述公式进行 裂缝 验算在无 明确公式参考前提下有其一定合理性 。 在公式 中， 偏安全地取 C 1 ． 0 ， C 1 ． 5 ， C ， 1 ． 0 。 C 簧‘ 1 在式 1 中， 选取 3 2 m m直径钢筋 ， P按照规 范取上限和下限 ， 并设定 ≤0 ． 2 m m， 可以求得 钢筋应力 的上下 限 1 46 MP a≤ ≤ 2 06． 5 MP a 即若保持钢筋应力在 1 5 0 M P a 以内， 裂缝是满 足要求的。很明显， 正常使用极限状态符合要求。 3 结 论 通过上 面分析 ， 得 到如下 结论 ， 可供 工程设计 参考 1 计算表 明， 在竖 向荷载作用下 ， 开 口槽周 围出现较大的拉应力 ，最大的拉应力出现在开 口 槽 的底部 ， 需要进行配筋设计 。 2 开槽底部截面应力并不符合平截面假定 ， 这导致用传统的截面内力法进行配筋计算可能并 不 合适 。 3 采用考虑钢筋和混凝土开裂模型可以较 为 真实地考虑墩柱应力状态 ， 并指导结构设计 。 计算 表明， 采用整体式和分离式钢筋模型， 两者计算结 果基本吻合，采用整体式模型计算时间远小于分 离式模型。 参考 文献 【 1 ] J T G D 6 2 2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 【 s 1 ． 北京 人民交通出版社， 2 0 0 4 ． 【 2 】 王铁成， 康谷贻， 贾平一． 深受弯构件受剪承载力计算方法的探 讨f J 】 ． 工 程力 学 增 刊 ， 2 0 0 0 ． 【 3 ] t桂芳． 悬臂深梁的应力分析[ J 】 ． I 1 q 联合大学学报 工程科学 版 ， 1 9 9 9 ， 3 6 ． ● ⋯ ● ⋯ ● ⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ● ⋯ ● ⋯ ’ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ● ⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ● ⋯ - ● ⋯ ●⋯- ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ● ⋯ ●⋯ ● ⋯ ● ⋯ ●⋯- ● ⋯ ● ⋯ ●⋯ ● ⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ● ⋯ ●⋯ ● ⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ● 上接 第 8 8页 梁端张拉方式。 2 分阶段施工时，合理布置施工缝处的构造。 3 钢束经济指标的控制范围。 目前中小跨径预应力连续箱梁的设计 、施工 工艺都比较成熟， 只有通过不断的总结与完善， 才 能做出更加完美、 耐久及经济的精品。 参 考文 献 【 l 】 范立 础． 桥 梁工 程【 M】 ． 北 京 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 2 】 范立础． 预应力混凝土连续梁桥【 M】 ． 北 京 人 民交通 出版社， 1 9 9 9． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m