谈预应力混凝土桥梁的概念设计

刘经伟　汪　磊

(云南省交通规划设计研究院，云南昆明　650011)



谈预应力混凝土桥梁的概念设计

刘经伟汪磊

(云南省交通规划设计研究院，云南昆明650011)

摘要:针对近些年来我国交通事业向海外进一步发展的现状，按照欧洲设计习惯，从主梁形式、桥跨布置、预应力等环节，提取了预应力混凝土桥梁概念设计的过程和内容，为国内外预应力混凝土桥梁的设计提供参考。

关键词:桥梁，混凝土箱梁，跨径，预应力

0　引言

桥型选择、桥跨布置、总方案确定等受到多种因素的影响。预应力混凝土桥梁跨径从25 m的单跨桥到跨径大于400 m的斜拉桥，其结构形式多种多样。而小跨径的桥梁，钢筋混凝土桥经济性更好;跨径大于400 m的桥梁，钢结构或钢—混组合结构斜拉桥因其自身重量较轻而广泛采用。跨径在25 m～40 m之间的桥采用预应力混凝土桥梁，在经济性和美观性上更胜一筹。图1为不同混凝土桥梁的典型跨径的一般布置原则。

图1　预应力混凝土主梁通常的跨径布置（单位：m）

1　桥面类型

桥梁结构中预应力混凝土结构运用极为常见。主梁通过先张法或者后张法预应力钢束制成预应力混凝土箱梁或者板梁。制作形式为现浇或预制，安装方式为吊装或顶推。主梁最终可是简支结构、连续跨结构以及斜拉结构形式。

一些小跨径桥梁，有时进行现场浇筑混凝土空心板，一方面可以减轻结构自重、断面面积，另一方面则发挥预应力的作用效果。但小跨径的桥梁结构通常采用预制梁更为经济，因此，空心板桥的应用不多。对于中、小跨径的桥梁，通常采用现浇混凝土桥面板的预制板，特别在预制设备的位置，可以极大地缩减造价。从成本的角度分析，跨径达30 m的预制梁要优于现浇钢混结构和钢结构。通过先张法和后张法施工制作“I”形、“T”形和“U”形等各种类型的梁结构。对于多跨长线的高架桥梁，因为预制梁周期制作快的特点而节约工程成本被经常采用。

预应力混凝土箱梁通常运用于大、中跨径桥梁，分为单室和多室类型。由于箱梁结构具有较好的抗弯刚度和几何条件等特点在曲线桥梁中被广泛采用。这种主梁结构可以有多种方案和施工技术的选择，因此其适用性较广，不受场地条件的限制。

桥梁运营后需要经常进行检测和养护，为了保证作业人员能够方便进入箱梁内部，因此箱梁的高度不应小于1．8 m，从施工的角度考虑，箱梁的高度要求大于1．2 m。桥梁跨径小于35 m，通常采用预制梁、现浇的钢混或者钢结构梁。

跨径50 m左右的现浇混凝土箱梁通常需安装支架结构或者顶推到位。超过50 m跨径的桥梁，则采用移动模架进行平衡悬臂现浇混凝土。图2为移动模架施工图。

图2　现浇箱梁施工

在预制单室或者双室混凝土箱梁时，可按照阶段或者整跨长度的形式进行预制。为了保证各节段箱梁在预制、运输和安装中节约造价成本，通常需确定一个长度作为典型节段长度。由于桥梁整跨结构的预制构件自重很大，需要通过大型的吊装和运输设备，这种方法给长线高架桥带来了高效率和低成本费用。

通常由于工期的限制和场地的干扰，可以大量推广使用带企口接缝的预制梁结构，如图3所示。出于对预制场地的建设、租赁大型的运输和吊装机械的成本考虑，通常规定大于2 km的桥梁才使用这种方法来反映此方法的优势。

图3　预制及架设节段箱梁

当遇到主梁下面地形或者环境的限制难以选取合适的施工方案时，箱梁的施工使用顶推法较为合适。主梁可以在桥台后面分段预制后再逐一顶推就位。这种顶推施工的设计需要消耗更多的钢筋、预应力筋以及混凝土材料，但是相对于其他施工方法，该方法可以节省许多设备和临时设施所产生的成本投资。

一些超大跨径的混凝土箱梁，需要增大梁高。目前，平衡悬臂现浇箱梁达到的跨径有250 m。对于这种大跨径的箱梁桥，梁高可以超过12 m，桥梁的美观受到了严重的影响。而斜拉桥是一种主梁相对较薄的桥梁类型。通过平衡悬臂法浇筑施工形成的预应力混凝土斜拉桥的跨径可达到500 m。选择斜拉桥结构原因不仅因为净空和美观的要求，而且相对于其他结构形式的桥梁，跨径在200 m以下的桥梁，斜拉桥造价更大。从经济和成本的角度出发，对于跨径大于500 m的桥梁，通常采用钢结构或者钢混结构的双塔式斜拉桥。表1列举了各类常见主梁形式及其优劣

表1　各类常见主梁形式及其优劣对比

2　主梁布置

由于地形条件为确定环境，设计师通常针对特定地形考虑多种桥型。考虑到除地形以外的其他因素时，选择范围会因此减小。图4为对于不同跨径的主梁形式，给出了选择单跨预应力混凝土桥梁一般采用的桥型范围。当桥梁跨越铁路线时，通常使用预制梁更合理，由于预制梁可以避免很多施工过程风险和减少对铁路运输产生影响。同时，对于跨越小型河流的桥梁，预制梁既可减少施工支架也可避免对河流流域的侵害。对于跨径较大的桥梁，箱梁的选择要更有优势。在跨越路线和流域等障碍物的大跨径箱梁桥，通常采用顶推法进行施工或者主梁进行分段预制再进行拼装。

图4　单跨梁的选择路径

由于美观和经济等原则，一些多跨桥梁和高架桥通常其跨径要大于30 m，主梁结构可以采用箱梁或者预制板梁。预制板梁一般适用于桥梁跨径小于40 m，这是由于预制板梁的跨径过大就需要采用专门的吊装设备。当需要跨越峡谷等障碍时，顶推箱梁是一种合理的方法。图5为一些常用主梁选择的一般标准图。

图5　多跨梁的选择路径

在考虑主梁的结构形式和确定主梁的截面尺寸时，首先应该结合以往相似的工程项目的经验，来选取合理的主梁形式、横断面尺寸和主梁混凝土的厚度。随后再依据设计标准、不同的设计荷载和现场的各环境因素开展详细设计和方案优化。

桥梁的美观性、耐久性以及实施可行性都会对桥梁的主梁形式和其他设计环节产生一定影响。桥梁的建造不仅仅要满足美学要求还要与周边环境相互和谐。耐久性通常决定桥梁细部结构的设计，但一般不影响桥梁的总体结构。桥梁建设的地形和地质条件极为复杂，施工难度极大，这种情况下施工能力成为了桥梁结构类型的主导因素。

3　联结与跨径

对于总长度小于60 m的桥梁，通常将主梁与墩台连接成一体而形成连续桥面。这种结构形式具有减少支座和伸缩缝数量和避免这些因素引起的养护难的优点。对于桥梁长度较长的结构，需要根据实际条件尽量的加大主梁的连续长度。预应力混凝土箱梁可建造的连续桥长1．7 km，斜拉桥的伸缩缝之间的混凝土结构修建的连续长度可达800 m。位于主梁的伸缩缝通常设置在有支撑结构而定桥台或墩台处，同时需要考虑伸缩缝等结构的检查通道能否达到检修点。要尽可能的避免采用半伸缩缝连接，当有足够的工作场地可以对支座和伸缩缝进行检查、维护及更换，可适当考虑。为了防止因材料徐变和预应力损失引起的结构变形，应尽量不设半伸缩缝或铰接等。

桥梁结构的类型和结构刚度直接决定了主梁与墩台的支座设置。顶推法施工箱梁结构应该设置支座使顶推顺利进行;预制节段的箱梁结构通过设置支座来使安装简便;就地浇筑的混凝土板梁可加设支座，当就地浇筑的混凝土梁板桥上部结构变位对下部结构产生的内力较小时，可设置支座，并与下部结构结合为整体。

在平曲线上进行桥梁设计时要特别重视联接问题。由于曲梁总是向着有效的“固定点”缩短或伸长，当导向支座设置成平行于主梁的朝向时，支座内会引起不同水平向的荷载。因而很多设计人员更倾向于将导向支座的方向设计成与固定点方向相同。但对于一些曲线较长的桥和小半径的曲线桥梁，通常会引起一些关于伸缩缝横向位移的问题。

通常要求支座横向偏置于在结构中心线或者是将主梁与下部结构连成一起来避免曲线桥对主梁结构倾覆和扭转的影响。地形等条件影响桥跨的布置，所以需要尽量的使选取的上部结构形式与桥跨布置条件相适应。

采用长度相等的预制梁可以达到施工设备的标准化;当为连续混凝土箱梁结构时，为了平衡正负弯矩，桥墩的布置应遵循边跨跨径在相邻内跨跨径的70%左右。当主梁结构使用平衡悬臂浇筑施工，为了避免边墩悬臂的不平衡弯矩，应减少边跨的长度到相邻内跨跨径的60%左右。当连续梁的边跨跨径小于上述要求的大小，就会使边支座上产生拉应力，此时就需要采取一定的措施来抵抗这种拉力。

公路、铁路及通航河流的净空要求决定了桥梁的最小跨径及高度。高跨比为1∶3的桥梁在视觉上能够达到最佳的平衡感，对于一些特别要求的桥墩来讲是很难保证的。对于较短长度的桥梁来说，跨数较少，但为了使得跨间平衡及视觉美观，通常设置成3跨或5跨。

4　预应力体系

以往设计、施工以及耐久性方面是体内外后张预应力钢束经常遇到的问题。通过对问题的总结和实践，这类问题在设计和施工中逐渐形成了一种能够熟练使用两种预应力体系的基础。在预应力设计中，设计人员需要选择体内或者体外钢束或者同时采用两种形式的钢束。通过对比两种形式的钢束，体外钢束的优点如下:

1)为了简便梁段的浇筑施工，可以在腹板和翼板内不设置预应力管道。这样有利于模板和架立钢筋的布置及混凝土的养生。2)腹板的厚度因取消预应力管道变得更薄，减轻了结构的自重和减少了工程的成本。3)预制节段结构，当该地区的条件允许，可以采用干接缝，极大地简化了主梁的安装，加速了建造的速度，有利于降低施工成本。4)体外钢束可以方便达到预应力管道的任何位置，提高了安装的效率。预应力钢束不会发生堵塞管道的现象，施工顺畅。5)钢束的布置极为简单。6)由于可以直接接触管道，因此可以保证灌浆的顺利，并且不会产生漏浆和堵塞等问题。7)避免高强钢绞线因摩擦产生预应力损失。8)施工和后期的养护及维修简便。9)钢束的后期更换较为容易。10)根据后期的需求，可以增设附加钢束来进行主梁升级和提高承载力。

但体外钢束的缺点如下:

1)体外钢束通常使用HDPE管材进行防护，管道需要填蜡或者灌水泥浆，对于前期来说，材料的成本投入较大。2)通过增加预应力材料的数量来减小控制性断面钢索的偏心距，不利于成本控制。3)在极限抗弯条件下，通过增加预应力来承受抗弯力矩。4)基本是依靠锚具来维持结构的整体预应力，一旦锚具产生故障，整个钢索预应力就会失效。5)由于锚固点、转向块存在较大的集中力，因而通常锚固于主梁结构内。6)当钢索的自由长度过长时，钢索会容易引起震动，随之引发疲劳破坏和材料腐蚀的现象。7)外露的钢索容易遭受外界事故而产生损坏。

体内和体外钢束各有各自的优点，选择时应综合考虑现场实际情况和借鉴以往经验，也可以同时采用，以达到取长补短作用，发挥各自优势。

5　结语

由于国际关系的进一步合作和企业自身的发展，交通建设逐步向海外扩展，承担着越来越多的国外桥梁设计任务，因此需要了解国外桥梁设计的内容和过程，本文针对预应力混凝土桥梁，按照欧洲设计习惯提取了主梁形式、桥跨布置、预应力等概念设计的过程和内容，希望这些内容的总结能够给国内外预应力混凝土桥梁的设计提供借鉴。

参考文献:

［1］Nigel R．Hewson．预应力混凝土桥梁设计与施工［Z］．Thomas Telford Ltd，2003．

［2］BS5400，钢、混凝土和结合梁桥——第四部分:混凝土桥梁设计规范［S］．

［3］AASHTO，公路桥梁标准规范［S］．

［4］蒙昊．预应力混凝土连续刚构桥的概念设计［D］．成都:西南交通大学硕士论文，2013．

［5］梁晓飞．体外预应力混凝土桥梁设计理论与方法研究［D］．西安:长安大学硕士论文，2005．

中图分类号:U442

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0190-03

收稿日期:2016-04-02

作者简介:刘经伟(1984-)，男，工程师;汪磊(1978-)，男，高级工程师对比。

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