预应力混凝土连续刚构桥设计探究

预应力混凝土连续刚构桥设计探究

摘要 连续刚构桥是工程上广泛使用的一种桥型，具有可靠强度刚度及抗裂性、行车平稳舒适、养护工作量小、设计及施工经验成熟等特点。连续刚构桥与其它桥型相比具有很强的经济性，因此常成为最佳桥型方案。本文首先介绍刚构桥结构形式，根据对跨径布置及结构尺寸的拟定，详细分析预应力筋布置形式，以及设计中需考虑温度问题与徐变和收缩及其次内力问题所带来的影响。

关键词 连续刚构桥；预应力混凝土；预应力筋；温度；徐变；收缩

1 刚构桥结构形式

刚构桥，主要承重结构采用刚构的桥梁,由梁和腿或墩（台）身构成刚性连接。结构形式可分为门式刚构桥、斜腿刚构桥 、T形刚构桥和连续刚构桥：

1）门式刚构桥：其腿和梁垂直相交呈门形构造，可分为单跨门构、双悬臂单跨门构、多跨门构和三跨两腿门桥。前三种跨越能力不大，适用于跨线桥，要求地质条件良好，可用钢和钢筋混凝土结构建造。三跨两腿门构桥，在两端设有桥台，采用预应力混凝土结构建造时，跨越能力可达200多米；

2）斜腿刚构桥：桥墩为斜 向支撑的刚构桥，腿和梁所受的弯矩比同跨径的门式刚构桥显著减小，而轴向压力有所增加；同上承式拱桥相比不需设拱上建筑，使构造简化。桥型美观、宏伟，跨越能力较大，适用于峡谷桥和高等级公路的跨线桥，多采用钢和预应力混凝土结构建造；

3）T形刚构桥：是在简支预应力桥和大跨钢筋土箱梁桥的基础上，在悬臂施工的影响下产生的。其上部结构可为箱梁、桁架或桁拱，与墩固结而成T型，桥型美观、宏伟、轻型，适用于大跨悬臂平衡施工，可无支架跨越深水急流，避免下部施工困难或中断航运，也不需要体系转换，施工简便；

4）连续刚构桥：分主跨为连续梁的多跨刚构桥和多跨连续-刚构桥，均采用预应力混凝土结构，有两个以上主墩采用墩梁固结，具有T形刚构桥的优点。

2 跨径布置及结构尺寸拟定

预应力混凝土连续刚构桥设计方案选定后，首先应进行总体布置和确定结构的构造尺寸。预应力混凝土连续梁刚构桥构造设计应考虑桥梁的技术经济指标、跨越性质和水文、地质条件以及施工方法。对于等截面与变截面连续刚构桥来说选取合理的主、边跨比、跨径与梁高的比例是非常重要的。对于跨径范围在20m~50m的连续刚构桥选取等截面形式及梁高一般为跨径的1/15-1/30，这种桥型常采用满堂支架、移动模架逐孔施工和顶推施工的方法；对于较大跨径的多孔连续刚构桥常作成变截面的形式其支点梁高为最大跨径的1/15~1/20及跨中梁高为最大跨径的1/30-1/50，这种桥型通常采用悬臂法进行施工。

3 预应力筋布置

3.1 纵向预应力筋

1）布束原则

纵向预应力筋数量和布筋位置要根据结构在使用阶段的受力状态确定（弯矩包络图），同时，也要满足施工各阶段受力需要。不同的施工方法，在施工阶段的受力状态存很大差别，因此，配筋必须考虑施工方法。

选择合适的力筋形式和锚固形式，选择预加力大小适当的束筋，以达到合理的配筋形式。若预加力过小，束筋过多，管道多，增大结构尺寸；如预应力过大，受力过于集中，引起局压应力。箱形截面考虑剪力滞效应，应尽量靠近腹板布置，同时减小下弯束的平弯角；避免在同一截面锚固，可分散锚固，如在同一截面，要适当分散，可减小锚下局部应力；宽翼缘箱形截面梁的两腹板处受对称垂直力作用时，其上、下翼缘的正应力沿宽度方向呈不均匀分布的现象称为剪力滞或剪力滞效应，即腹板对接处的顶底板正应力出现峰值>平均值。

直线布束，顶板预应力筋沿水平布置并锚固在梗肋处，可减少预应力筋的摩阻损失，穿束方便，改善了腹板的混凝土浇注条件；水平预应力筋的设计和构造仅由弯曲应力决定，而抗剪强度则由竖向预应力筋来提供。曲线布束，预应力筋在腹板内弯曲并下弯锚固在腹板上，以减小外荷载所产生的剪力。此时腹板应具有足够的厚度以承受集中的锚固力。

2）布置方式

（1）满堂支架施工：跨径较小时，采用连续曲线束（布束简单，摩阻力大，穿束困难）桥梁总长<100m；跨径较大时，为了减小摩阻损失，可采用分段配筋，两端张拉（顶板张拉）或一端张拉，底板预先埋置锚头（锚固式）上部为张拉式锚头；

（2）简支转连续：分为先期束和连续束，先期束适于简支梁；连续束则待墩上接缝混凝达到规定强度后，用设置在接缝顶部的局部顶应力钢筋来建立结构的连续性；

（3）逐跨施工：主索布置往往采用逐段接长配筋，接头位置设置在支点截面，也可设在离支点约1/5跨径附近弯矩较小的部位；

（4）顶推施工：前期张拉力筋-为顶推施工需要而设置，施工过程中，箱梁每一截面均会出现最大正、负弯矩，通常在截面的上、下缘配置直线筋，各段之间采用“逐段接长配筋”；后期张拉力筋， 依照使用阶段要求补充设置的力筋，分直筋和弯筋．直筋配置在支点顶部和跨中底部，弯筋设置在腹板内，水平投影长度为跨径1.3-1.5倍，锚固1/3跨径腹板内侧齿板上。

3.2 横向和竖向布筋

设计中，需要对结构施加横向和竖向预应力。横向预应力加强桥梁的横向联系，增加悬臂及顶板的抗弯能力。一般直线布置在横膈梁或顶板内；采用高强钢绞线或粗钢筋，箱梁横向预应力筋趋向于采用扁锚体系，以减少布筋所需空间。

竖向预应力提高截面的抗剪能力，设置在腹板内；一般采用高强粗钢筋，轧丝锚固在预留孔道内按后张法工艺施工；竖向直线配置，也有用预应力钢丝束和钢绞线作为竖向预应力筋，须留孔道按后张法工艺张拉施工的。在施工中常考虑利用竖向预应力筋作为悬臂挂篮的后锚装置。

4 徐变和收缩及其次内力问题

在长期荷载或应力作用下混凝土的徐变和收缩对结构的变形、结构的内力分布和结构内截面的应力分布都会产生很大的影响。结构在受压区的徐变和收缩会增大挠度并且徐变会增大偏压柱的弯曲，由此增大初始偏心降低柱承载力。预应力混凝土构件中徐变和收缩将导致预应力损失，结构构件截面如组合截面徐变会使截面应力重分布，对于超静定结构混凝土徐变将导致内力重分布。

混凝土徐变总应变可高达加载后产生的弹性变形的1倍~4倍，所以混凝土的徐变效应在预应力混凝土刚构桥中是必须考虑的。在超静定结构中由于徐变产生次生内力而应力变化的徐变及次内力计算较为复杂，现较常用的方法有狄辛格方法、Trost”Bazant法、采用位移法的有限元逐步分析法。狄辛格法当采用老化理论时对后期加载的长期徐变效应估计过低，而对递减荷载的长期徐变效应又估计过高。随着计算机技术的进步以及结构有限元方法的应用并结合根据Trost-Bazant按龄期调整的有效模量法，人们采用位移法的有限元逐步计算法将使得徐变分析更逼近实际。

5 结论

预应力混凝土连续刚构桥的设计是一项复杂而细致的工作，必须从桥跨布设、尺寸拟定、钢束布置以及施工方法选择正确的设计参数并充分考虑包括徐变和收缩等环境对预应力混凝土连续刚构桥的影响等方面综合考虑才能成功地设计好一座桥梁。

参考文献

[1]程建耀.最新桥梁设计实用手册[M].长春：吉林电子出版社，2005.

[2]邵旭东，程翔云.桥梁设计百问[M].北京：人民交通出版社，2003.