浅谈大跨径预应力混凝土箱梁桥的设计

浅谈大跨径预应力混凝土箱梁桥的设计
作者：徐向斌刘朋
来源：《城市建设理论研究》2013年第02期
摘要：针对近年来, 大跨径预应力混凝土箱梁桥在投入运行后, 普遍出现的箱梁腹板开裂和跨中下挠等病害，从箱梁腹板下弯束的设置、竖向预应力束的采用、箍筋的合理配置、腹板的合适厚度、大跨度混凝土梁桥的跨中下挠问题、材料选择及其它方面对箱梁展开研究分析。

并结合笔者自身工程实践，对大跨径预应力混凝土箱梁桥的设计提出建议。

关键词：大跨径；预应力混凝土箱梁；腹板下弯束; 下挠
Abstract: In recent years, after the long span prestressed concrete box girder bridge in the operation, generally has the box girder cracking and deflection in the mid-span and other diseases, analyzes from the box girder bending beam setup, vertical prestressed beam, the reasonable allocation of the stirrups, web thickness, suitable for large span concrete beam bridge the midspan deflection problem, material selection and other aspects of box girder. Combined with the author's own engineering practice, proposed design of long-span prestressed concrete box girder bridge.
Key words: large span prestressed concrete box girder; Web; curved beam; deflection 中图分类号：U445 文献标识码：A文章编号：
1．引言
进入21世纪以来，随着我国经济的持续高速发展，土木工程技术实现了新跨越，迎来了桥梁建设的伟大时代。

一座座桥型各异，跨度大、技术难度高的现代化桥梁建设，已经开始引领世界桥梁建设的发展，我国正由桥梁大国向桥梁强国大步迈进。

大跨径连续梁桥和刚构桥的预应力混凝土箱梁，结构刚度大而变形小，同时抗风、抗震能力强，经济，耐久，因此，对跨径在30~350m范围的公路桥，广泛采用箱梁桥方案。

在兴建特大跨度的斜拉桥或悬索桥的同时，总伴随着建设有大跨径预应力混凝土连续梁桥或连续刚构桥，且都是箱梁桥。

但是，箱梁桥在使用期间，常出现“腹板开裂”和“跨中下挠”等病害问题，且随着时间的延续而不断发展，给桥梁的安全埋下隐患，也给桥梁设计技术人员带来很大困扰。

学术界对于桥梁病害的原因有所探讨，多认为是桥梁超载、预应力损失大、施工不当、混凝土的收缩、徐变大，以及结构构造弱和设计中没有考虑空间作用、温度影响等因素所致。

但是这些理论普遍缺少对上述病害的系统研究，在建筑材料特性、箱梁抗裂措施等方面的研究还存在难点。

箱梁桥的病害目前没有得到彻底解决，这也给工程的设计、开展和运营带来了技术难题。

因为桥梁的开裂和下挠影响到结构的使用性、耐久性及安全，本文将从桥梁设计中的问题诸如纵向预应力束的设计、竖向预应力筋的采用、腹板及箍筋的合理设计以及材料选用等方面展开探讨。

2．腹板下弯束的设置
大跨径预应力箱梁桥主要有连续梁桥和连续刚构桥，而且多为变截面箱梁，采用悬臂浇筑来施工, 根据具体工程的受力分析来决定预应力束的布置。

为了抵抗梁的自重和梁上的荷载所引起的弯矩和剪力及其产生的弯曲拉应力和剪应力，防止梁跨中下部出现竖向裂缝和梁腹中产生斜向裂缝，提高梁的受弯承载力和受剪承载力，箱梁桥腹板中应配置有足够的主预应力束。

2.1传统的大跨径预应力混凝土箱梁桥配束方案
传统的大跨径预应力混凝土箱梁桥配束方案为纵向预应力配束，根据梁在荷载作用下的弯矩包络图进行设计，由纵向预应力束和离支座不同距离处的下弯预应力束组成，并配置悬臂预应力束(顶板直线束、腹板下弯束)和连续预应力束等，如图1示：
图1：有下弯束的主预应力配束方案
2.2新型的大跨径预应力混凝土箱梁桥配束方案
80年代末以来，国内不少大跨径预应力混凝土连续梁和连续刚构的箱梁桥设计中采用了全部直线式的纵向预应力束(没有下弯预应力束)，另加竖向预应力筋的方案，如图2示：
图2：直线式纵向预应力配束方案
下弯束的取消具有一定的优点，由于悬臂预应力束只采用顶板直线束，所以桥梁腹板里的预应力管道相应减少，从而减少了工程施工量和预应力束的摩擦损失。

但是，该方法使用了大量的纵向预应力束来限制主拉应力，增加了工程建设的成本，同时采用此种方法的工程在经过一段时间的运营后，出现病害的概率变大，近二十年来，按这种设计方案建造的大跨径预应力混凝土连续梁桥和连续刚构桥，普遍地在梁腹中出现斜裂缝，跨中挠度也不断增大，有的甚至相当严重。

而加设了下弯束的箱梁桥，腹板斜裂缝较少或没有出现。

预应力混凝土箱梁桥在跨径350m 之内的桥型方案选择上, 具有很强竞争力, 国内外有许多大跨径混凝土梁桥设计的成功实例。

采用下弯束是限制主拉应力及斜裂缝出现的最有效措施，通过对箱梁桥竣工后的运营情况对比，笔者认为纵向预应力下弯束的取消是导致病害出现的主要原因之一。

因此，正确的纵向主预应力束的配束方案，应该是按弯矩包络图配置足够的直线束和下弯束。

配置了预应力下弯束后，不仅可抗弯，还可平衡较多的自重剪力、活载剪力，减小箱梁截面上的剪应力。

由于主拉应力与剪应力的大小成正比，所以可以通过配置预应力下弯束来控制主拉应力，还可消除可能在梁较高区段的腹中出现预应力盲区。

3．竖向预应力束的采用
3.1 竖向预应力束
在腹板内配置适量的竖向预应力筋是合理的，尤其当下弯束不足时。

大跨径预应力混凝土箱梁桥的箱梁扭转、畸变也可能产生腹板剪应力, 在设计时需充分考虑这些影响因素。

如果采用钢绞线束，其强度虽高，但预应力损失也大，而且施工不易。

所以，采用预应力粗钢筋施工相对方便，但在设计竖向预应力筋时，必须认识到它存在的问题：
（1）受箱梁高度的限制，竖向预应力筋长度往往不高，所以其预应力锚具损失等较大，有的桥梁实测预应力损失竟达张拉应力的50%。

（2）当竖向预应力筋采用精轧螺旋钢筋时，其张拉施工精度很难保障。

（3）竖向预应力普遍孔道较窄，张拉后的灌浆不易饱满，甚至无浆，这大大削弱了截面的抗剪能力。

（4）竖向预应力筋单端张拉，且锚于梁顶，一旦发生脱锚的情况，对桥上运行车辆产生危险，目前，已有其它国家提出了在工程中不再采用竖向预应力筋的建议。

3. 2 竖向预应力筋的选用
设置竖向预应力可以减小主拉应力, 但上述问题的存在使得竖向预应力作用很难达到设计的要求。

笔者认为，竖向预应力筋的设置范围不应该在刚构全长上设置，连续刚构主墩中心线两侧各3~4倍梁高区段之外，就不必设置，更不应该采用中空钢棒。

因为主墩中心线两侧各
3~4倍梁高区段之外，剪力已很小，这些部位主要是受弯，而不会出现斜裂缝。

而且，这些部位梁高较小，锚固损失很大，采用竖向预应力筋效率相对不高。

因此，通常只需在主墩各1/4跨度范围内及过渡墩1/4跨度范围内设置竖向预应力筋。