現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)
摘要：道路橋梁的建設(shè)，不僅緩解了道路交通壓力，增加了道路景觀，而且從一定意義上講，它還代表了一個(gè)地方的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及現(xiàn)代化程度。文章結(jié)合工程實(shí)例，介紹了現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁橋的設(shè)計(jì)和構(gòu)造特點(diǎn)、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算及上下部構(gòu)造設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際針對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的一些因素進(jìn)行了較詳細(xì)的探討。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力，現(xiàn)澆砼，連續(xù)箱梁，橋梁設(shè)計(jì)
1概述
通過在福建省道202線K37+150-K37+350段壽寧揚(yáng)梅橋梁設(shè)計(jì)和施工中，我談?wù)剬?duì)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和感受。
連續(xù)箱梁是一種常用的橋梁結(jié)構(gòu)體系，它具有變形小、結(jié)構(gòu)剛度好、行車平順舒適、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)易、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。是現(xiàn)澆橋梁最為廣泛采用的截面形式。尤其在城市快速路的互通立交上，現(xiàn)澆箱梁具有較小的建筑高度、美觀的外形、能適應(yīng)道路線形等特點(diǎn)就成為首選的橋梁形式。
2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
(1)道路等級(jí):二級(jí)公路；(2)荷載等級(jí):公路Ⅱ級(jí)；(3)橋面寬度:凈12.25m；(4)設(shè)計(jì)安全等級(jí):二級(jí)；(5)設(shè)計(jì)車速:60km/h；(6)最大縱坡:3％；(7)地震動(dòng)峰加速度系數(shù)值：0.05。
2.2箱梁設(shè)計(jì)
根據(jù)主線立交布置，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用2×35m現(xiàn)澆后張法等高度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，為單箱雙室，梁高1.80m，為跨徑的1/17。箱梁頂板寬12.30m、底板寬8.30m，箱梁懸臂長(zhǎng)度2.0m，箱梁頂面設(shè)置2%橫坡，由箱梁整體旋轉(zhuǎn)形成。箱梁典型橫斷面示意見圖1、設(shè)計(jì)采用彈性理論計(jì)算方法�！ �
2.2.1箱梁截面主要結(jié)構(gòu)尺寸
(1)頂板和底板
頂板和底板是箱型截面結(jié)構(gòu)承受正負(fù)彎距的主要工作部位。
對(duì)于頂板，首先要滿足橋面板橫向彎矩的要求，其次要滿足布置力筋的構(gòu)造要求。據(jù)此，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，頂板厚度取1/15腹板中距，為27crn，考慮近支點(diǎn)處抗剪、承壓和錨固預(yù)應(yīng)力束的需要，近支點(diǎn)2.0m為漸變加厚，且取支點(diǎn)處厚為40cm。
對(duì)于底板，除應(yīng)滿足能提供足夠大的承壓面積，發(fā)揮良好的受力作用，還應(yīng)滿足布置正彎矩下的力筋通過的構(gòu)造要求。該橋橋跨中底板厚為27cm，近支點(diǎn)處設(shè)置5.0m的漸變段，支點(diǎn)處厚為40cm。
(2)腹板
箱梁腹板的主要功能是承受結(jié)構(gòu)的彎曲剪應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力所引起的主拉應(yīng)力。若增加腹板的厚度，對(duì)截面正應(yīng)力、剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力均有良好的改善，但勢(shì)必會(huì)增加箱梁自重，在自重荷載占70%左右的當(dāng)今橋梁設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能減少自重。而腹板內(nèi)如果有彎束布置，因彎束預(yù)加力的豎向分力對(duì)外剪力的抵消作用，則剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力值較小。因而，腹板內(nèi)的鋼束布置有時(shí)是按構(gòu)造要求而設(shè)置的。所以，確定腹板的厚度要綜合考慮。
腹板的最小厚度要滿足鋼束管道的布置與砼澆筑的構(gòu)造需要，取決于橋梁結(jié)構(gòu)的受力要求(依橋梁跨度、梁高、腹板間的凈距、梗腋設(shè)置情況等不同，腹板厚度取值也不同)。根據(jù)要求，本橋設(shè)計(jì)時(shí)，腹板的厚度在跨中主要由構(gòu)造確定，取為50cm，在支點(diǎn)處，考慮承受梁部較大的剪力，由于造構(gòu)造及抗剪受力需要，滿足最小厚度需要，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)第5.2.9條的規(guī)定，將腹板厚度設(shè)計(jì)為距離支點(diǎn)5米長(zhǎng)度范圍內(nèi)漸變，取中支點(diǎn)處腹板厚度為70cm，邊支點(diǎn)處因考慮鋼束錨固平彎的需要，取腹板厚度為80cm。
(3)橫隔板
箱梁橫隔板的基本作用是增加截面的橫向剛度，限制畸變應(yīng)力。在支承處的橫隔板還擔(dān)負(fù)著承受和分布較大支承反力的作用。箱形截面由于具有很大的抗扭剛度，所以橫隔板的布置可以比一般肋式梁橋少一些。本橋通過計(jì)算分析，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)第5.2.9條的規(guī)定，中橫梁取160cm，邊橫梁取120cm，不設(shè)跨間橫隔板。
(4)承托
在頂、底板和腹板接頭處設(shè)置承托很有必要。承托提高了截面的抗彎剛度和抗扭剛度，減少了扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和畸變應(yīng)力。橋面板在腹板支承處的剛度加大后，可以吸收負(fù)彎矩，從而減少了橋面板的跨中正彎距。此外，承托使力線過渡比較緩和，減少了次應(yīng)力。從構(gòu)造上考慮，利用承托所提供的空間布置縱向預(yù)應(yīng)力筋和橫向預(yù)應(yīng)力筋，這也為減薄底板和頂板的厚度提供了構(gòu)造上的保證。
在設(shè)置承托時(shí)，應(yīng)考慮承托的豎向加腋和水平加腋兩種加腋各自的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合進(jìn)行考慮。在頂板和腹板交接處如設(shè)置豎加腋，則可以加大腹板的剛度，對(duì)腹板受力有利，使腹板剪應(yīng)力控制截面下移，錯(cuò)開了縱向彎曲應(yīng)力高峰，并有利于彎束的布置，但其會(huì)使預(yù)應(yīng)力索的合力位置降低。反之，水平加腋對(duì)縱向束布置于橋面頂?shù)资芰τ欣�，并加大預(yù)應(yīng)力合力偏心，但對(duì)腹板受力和彎束布置不利。橋頂板的承托采用1:4的比例布置，即25×100cm，底板的承托采用1:1的比例布置，即25×25cm。
(5)懸臂
懸臂長(zhǎng)度也是調(diào)節(jié)板內(nèi)彎距的重要參數(shù)，懸臂板尺寸的確定要滿足結(jié)構(gòu)受力的要求。本橋根據(jù)主線橋面寬度和受力計(jì)算，確定懸臂長(zhǎng)度為2.0m，懸臂端高度取18cm，懸臂根部取45cm。
2.2.2箱梁配筋
連續(xù)梁的預(yù)應(yīng)力筋在橋梁的縱、橫、豎向布置，沿橋垮方向的力筋稱為主筋，其數(shù)量和布筋位置要根據(jù)結(jié)構(gòu)在使用階段的受力狀態(tài)確定，同時(shí)，也要滿足施工各個(gè)階段的受力需要。本橋根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要，梁體僅采用縱向預(yù)應(yīng)力�？v向鋼束采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，公稱直徑15.20mm，公稱面積139mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa，其技術(shù)性能應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》(GB/T5224-2006)。預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管。頂板縱向預(yù)應(yīng)力筋分為腹板束和底板束，腹板束為17￠s15.24鋼絞線，采用l2束通長(zhǎng)束，均在頂板錨固，采用兩端張拉；底板束采用13￠s15.24，每孔3束。考慮本聯(lián)箱梁兩側(cè)的箱梁均采用現(xiàn)澆施工，縱向鋼束不能在兩端張拉，經(jīng)計(jì)算分析后，選擇底板束一端固定在梁端，另一端過中橫梁后，在底板設(shè)置鋸齒塊張拉錨固。
2.3結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析
2.3.1上部結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析
上部結(jié)構(gòu)按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)。
計(jì)算采用“橋梁博士V3.1.0”模擬施工各階段及運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行計(jì)算，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)第5、6、7章相關(guān)條款的要求，進(jìn)行持久狀況承載能力極限狀態(tài)和持久狀況正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，并根據(jù)具體情況考慮持久狀況和短暫狀況，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。通過對(duì)各階段內(nèi)力、變形進(jìn)行分析，合理布置預(yù)應(yīng)力，將各階段截面受力控制在規(guī)范規(guī)定容許的安全范圍內(nèi)。
計(jì)算中考慮的荷載:恒載(包括一期恒載和二期恒載)、預(yù)應(yīng)力、汽車荷載、溫度變化力、基礎(chǔ)變位影響力、混凝土收縮徐變影響力等。
荷載組合的處理:按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60—2004)規(guī)定，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)采用基本組合，按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，分別采用作用短期效應(yīng)組合和作用長(zhǎng)期效應(yīng)組合。橋各主要控制截面計(jì)算結(jié)果見表1～表3。
根據(jù)規(guī)范規(guī)定，本橋計(jì)算采用的A類預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆構(gòu)件C50混凝土截面，組合應(yīng)力限制為:
計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)是安全的。
2.3.2上部結(jié)構(gòu)橫向計(jì)算與分析
主梁為箱形截面，橫向計(jì)算按支撐在腹板板底的橫向框架進(jìn)行內(nèi)力分析、計(jì)算。取縱向長(zhǎng)度為1.0m的箱梁為計(jì)算單元，采用“橋梁博士V3.1.0”進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，結(jié)構(gòu)離散成47個(gè)單元（見圖2）。
計(jì)算考慮了恒載(包括一期恒載和二期恒載)、汽車荷載、箱梁內(nèi)外溫度變化力、混凝土收縮徐變影響力等荷載。
表4一表5列出了根據(jù)橫向計(jì)算合理配筋后主要控制截面裂縫與抗彎強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果表明，箱梁橫向設(shè)計(jì)是安全的。
2.4下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
橋梁下部結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循安全耐久、造價(jià)低、維修養(yǎng)護(hù)少、預(yù)制施工方便、工期短、與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)、造型美觀等原則。
特別是跨線橋、城市立交高架橋的下部結(jié)構(gòu)造型對(duì)整體設(shè)計(jì)方案起著重要的作用。合理的下部結(jié)構(gòu)能使上、下部協(xié)調(diào)一致，經(jīng)濟(jì)、美觀。墩臺(tái)是橋梁的重要結(jié)構(gòu)，支承著橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載，并將它傳給地基基礎(chǔ)。因此，橋梁墩臺(tái)及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)受力、土質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)條件、水文、流速、河床斷面及冰凍情況有關(guān)。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，并與上部結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，本橋橋墩均采用雙柱式墩，柱徑1.40m，橫向柱間距為6.80m，每個(gè)墩柱柱頂設(shè)置一個(gè)盆式橡膠支座；橋墩基礎(chǔ)采用了樁柱連接的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.60m，樁長(zhǎng)32—36m�？紤]到橫向穩(wěn)定性，在墩頂處設(shè)置橫系梁，高1.20m，寬1.0m。
3結(jié)語(yǔ)
近年來，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋應(yīng)用較為普遍。通過對(duì)該橋的設(shè)計(jì)，從該橋的上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的受力分析，得到以下體會(huì)，希望能為同類型的橋梁設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。
(1)在進(jìn)行箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)每一主要尺寸的擬定，都要考慮結(jié)構(gòu)受力的要求和布置鋼筋的構(gòu)造要求；并采取適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱橫向計(jì)算分析，保證設(shè)計(jì)的安全性。
(2)在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮墩臺(tái)和地基的特點(diǎn)，把結(jié)構(gòu)物作為一個(gè)整體，考慮其整體作用和各個(gè)組成部分的共同作用。
(3)在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要有一個(gè)良好的計(jì)算分析，更重要的是要不斷的積累豐富的經(jīng)驗(yàn)去判斷計(jì)算結(jié)果的可信度，選用計(jì)算結(jié)果，亦即選用安全度，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)、跨度，選用切合實(shí)際的構(gòu)造，去彌補(bǔ)計(jì)算上的不足，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟(jì)。
參考文獻(xiàn)
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