預應力混凝土現澆連續箱梁的設計

王鵬

摘要：以某高速公路段上預應力混凝土現澆連續箱梁橋為例，根據橋梁設計的標準，對正常使用階段箱形梁主梁的正、斜截面的抗裂進行分析研究。計算結果表明：主梁設計滿足規范要求。研究為橋梁工程設計提供了理論參考。

Abstract： Taking a prestressed concrete continuous box girder bridge as an example， according to the standard of bridge design， this paper analyzes and studies the crack resistance of the normal and oblique section of the box girder. The results show that the design of the main girder can meet the specification requirements， and the research provides a theoretical reference for the design of the bridge engineering.

關鍵詞：預應力；連續箱梁；現澆混凝土；主梁驗算

Key words： prestressed concrete；continuous box girder；cast-in-place concrete；beam checking

中圖分類號：U448.21+3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0128-03

0 引言

預應力混凝土連續箱梁[1]是目前使用較多的橋梁結構形式之一，這種橋梁結構形式具有受力合理、整體剛度大、變形小、整體穩定性好、抗扭能力強以及線形優美等特點。但是預應力混凝土連續箱梁混凝土開裂[2-5]、跨中下撓也是困擾工程界的難題，國內外研究人員針對現澆預應力混凝土連續箱梁開展了大量的模型試驗和結構理論研究[2-5]，研究結果表明：現澆預應力混凝土連續箱梁的正、斜截面的抗裂驗算是箱梁正常使用階段的有力保障。

本文以某高速公路主線K63+237處，22+32+22米預應力混凝土連續箱梁橋為例，考慮現澆連續箱梁的預應力鋼束布置，對正常使用階段箱形梁主梁的正、斜截面的抗裂[1]進行分析，為橋梁的設計提供理論依據。

1 工程概述

本橋位于某高速公路主線K63+237處，為跨越某高速公路而設，全長86m。橋梁設計為22+32+22米預應力混凝土連續箱梁橋，橋墩、橋臺均徑向布置。上部結構采用預應力混凝土連續箱形梁，全橋采用3孔一聯，共一聯，箱形梁主梁混凝土強度等級為C50，普通鋼筋采用熱軋HPB300、HRB400，預應力鋼絞線公稱直徑為？準s15.2（7？準5）mm，在兩岸橋臺處設置80型伸縮縫；下部結構橋墩均采用花瓶墩，承臺及人工挖孔灌注樁基礎；橋臺均采用重力式U型橋臺、剛性擴大基礎。本文以23+32+22聯跨設計為例，對等截面預應力混凝土現澆連續箱梁結構進行實例工程分析。橋梁總體布置圖尺寸詳見圖1。

2 箱梁截面

橋梁上部結構跨徑為22+32+22m。主梁采用單箱雙室截面，如圖2所示。箱梁頂寬9m，其中懸臂長1.5m，懸臂根部厚0.5m，箱梁底寬6m，橋面橫坡在橋面鋪裝中調整，箱梁頂面和底面橫向為水平面。箱梁均采用直腹板，梁高1.7m，頂板厚25cm，懸臂端頂板厚15cm，底板厚25cm，腹板厚跨中50cm。橋梁中跨跨中設置1.2cm的預拱度，預拱度從跨中到支點按二次拋物線變化，邊跨不設預拱度。

3 預應力鋼束布置

由于本聯橋梁為多跨連續箱梁橋，進行預應力鋼束配置時，綜合考慮布跨方式、頂應力損失及次內力的影響，做到鋼束配置的最優化、最合理是比較復雜的。結構設計中，考慮到本橋跨度不大，橫向為雙支座支承的等截面箱梁，故僅設置了腹板束、底板束2種不同的縱向預應力鋼束，為單向預應力體系。首先在梁體內布置一定數量的腹板通長鋼束，其次布置頂底板鋼束，以抵消部分梁體正負彎矩的影響。腹板預應力束僅有豎彎底板預應力束除有堅彎外，在靠近錨國處適當平彎，以便于鋼束在箱梁內錨固，減小錨頭齒塊的尺寸。預應力鋼束采用七根鋼絲捻制的標準型高強度、低松弛鋼絞線，其主要技術性能必須符合《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2003）的相關規定。公稱直徑？準s15.2（7？準5）mm，公稱面積140mm2，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。本橋箱梁預應力錨具采用15-14型。

預應力鋼束張拉時，張拉控制應力σk=1395MPa，初張拉應力0.1σk=139.5MPa，張拉力Nk=N·A·σk，N為一束鋼束中鋼絞線股數。Nk不包括千斤頂的內摩阻及鋼束與錨具的摩阻力，這兩項摩阻力都應根椐實驗確定，總張拉力應為控制張拉力與千斤頂內摩阻力及鋼束與錨具的摩阻力之和，OVM錨具采用整束張拉。

4 結構有限元模型與荷載工況

4.1 相關計算參數

結構重要性系數：1.1；梁柱自重增大系數：1.04；主梁二期：61.6kN/m；支座沉降：考慮5mm的支座沉降；系統溫度：根據橋梁所處的地區，取系統溫升20℃，系統降溫20℃；溫度梯度：據《公路橋涵設計通用規范》[6]（JTG D60-2015）第4.3.10第三款、第四款規定取值；移動荷載：汽車荷載，橋梁等級為公路Ⅱ級；對于汽車荷載縱向整體沖擊系數μ，按照《公路橋涵通用設計規范》[6]第4.3.2條，計算得沖擊系數μ1=0.231。

4.2 有限元模型的建立

本橋上部結構體系為連續結構，采用A類預應力混凝土構件設計，用“Midas Civil”對上部結構進行整體受力分析，對各受力階段進行內力、應力、位移等校核。橋梁所受荷載除結構自重、活載外還考慮了預加力、二期恒載（橋面鋪裝、墻式護欄等）、溫度、不均勻沉降、混凝土收縮、徐變等。最后建立上部結構模型如圖3所示。

4.3 荷載工況組合

根據本橋所處環境及設計標準，荷載工況見表1。

5 上部結構的計算與分析

根據《公路橋涵設計通用規范》[6]（JTG D60-2015）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[7]（JTG D62-2004）相關條文規定對箱形梁主梁進行驗算。箱形梁主梁驗算分為承載能力極限狀態驗算與正常使用極限狀態驗算。其中承載能力極限狀態驗算主要有施工階段法向壓應力、受拉區鋼筋拉應力驗算、使用階段正截面壓應力驗算、使用階段斜截面主壓應力驗算和短暫狀況構件應力計算，在設計驗算中是較為容易通過的。正常使用極限狀態驗算包括使用階段正截面抗裂驗算、使用階段斜截面抗裂驗算，在設計中是較難通過的。本文重點介紹箱形梁正截面和斜截面抗裂驗算。

5.1 正截面抗裂驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[7]（JTG D62-2004）第6.3.1條第一款規定，正截面抗裂應對構件正截面混凝土的拉應力進行驗算。

正截面短期組合與長期組合抗裂驗算結果如圖4、圖5所示。從圖4與圖5可以看出，在橋墩處會出現壓應力驟然變小的情況，甚至在短期組合作用下，可能會有拉應力的出現，這是因為本橋是為三孔一聯共一聯的連續梁橋的結構，除了兩端豎向支撐外，中間也有豎向的邊界條件，所以在加載情況下，中間墩有往上的支撐力而使得整個正彎矩分布往上抬而在中支點位置出現負彎矩。

由圖4可知，在短期荷載效應作用下，存在最大拉應力為0.2MPa，滿足規范要求；由圖5可知，在長期荷載效應作用下，主梁全截面受壓，滿足規范要求，故正截面抗裂滿足規范要求。

5.2 斜截面抗裂驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[7]（JTG D62-2004）第6.3.1條第二款規定，斜截面抗裂應對構件斜截面混凝土的主拉應力σtp進行驗算。

圖6為斜截面抗裂驗算結果圖。從圖6可以看出，在橋墩單元附近應力較大，這是因為本橋是連續梁結構，由于橋墩的存在，在其附近的區域屬于剪力和彎矩均較大的最不利區域，最大主拉應力往往出現在這個區域。

由圖6可知，由作用短期效應組合和預加力產生的混凝土法向主應力最大拉應力為0.83MPa，小于容許值1.325MPa，滿足規范要求。

6 結語

本文以某高速公路主線K63+237處，22+32+22米預應力混凝土連續箱梁橋為例，考慮現澆連續箱形梁的預應力鋼束布置，對正常使用極限狀態下主梁的正、斜截面的抗裂進行分析，得到如下結論：

①箱形梁正截面抗裂驗算結果表明：在短期荷載效應作用下，存在最大拉應力為0.2MPa；在長期荷載效應作用下，主梁全截面受壓。箱梁正截面抗裂滿足規范要求。②箱形梁斜截面抗裂驗算結果表明：短期效應組合和預加力產生的混凝土法向主應力最大拉應力為0.83MPa，小于容許值1.325MPa。箱梁斜截面抗裂滿足規范要求。

參考文獻：

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