預應力混凝土連續梁橋優化設計常量理論探析

摘 要：本文以常量理論為主，從箱梁橋的尺寸和混凝土配置兩個方面上，對預應力混凝土橋梁的設計優化進行簡析。

關鍵詞：常量理論；預應力混凝土；連續梁橋；設計優化

0 引言

如果設計者不能夠準確拿捏各構件斷面的尺寸，就會出現構件斷面應力不均衡的現象。對此，設計者只能根據自身的專業知識以及設計經驗，并以相似的工程為例，判斷斷面的初始尺寸。下面筆者將以常量理論為主，對預應力混凝土連續梁橋進行設計優化。

1 預應力箱梁橋構件尺寸設計

1.1 橋跨

合理布置橋跨要求橋跨的總長度和各橋梁的跨度都要符合《公路橋梁設計手冊》上的要求，比如：在理論上，梁橋的最大跨度在250～300m之間，而在實際中符合經濟效益的跨度是100～240m。

預應力混凝土連續梁橋的邊跨與主跨的比值會直接影響到結構的受力是否合理。如果比值過大，會使邊跨受到較大的主拉應力，各跨的剛度之間也會產生較大的差值；如果比值過小，會使主墩受力不均，造成坍塌。要在保證橋梁安全和穩定的前提下，盡可能地降低橋梁的恒載重量，梁高較小的情況下除外。梁高的變化會引起截面剛度的變化，但是對截面剪應力和主拉應力的影響更大一些。

1.2 腹板、頂板和底板

箱梁橋的頂和底板的厚度，特別是腹板的厚度，會直接影響到橋體自身截面的抗剪能力以及鋼筋的布置，并且腹板的厚度和橋體自身截面的抗剪能力在一定的范圍內是呈正比。

（1）腹板。雖然增加腹板的厚度可以提高橋體自身截面的抗剪能力，但是同時也會增加橋梁的自重，當在重荷載達到70%時，要盡量減少自重。與其他形式的橋體相比，箱行截面預應力混凝土梁式橋的腹板受力較為復雜，比如：正截面法向應力和剪應力等。同時由于腹板比較小，所以關于腹板厚度的設計要格外謹慎。

（2）頂板與底板。底板厚度與彎矩是成正比的，通常情況下，根部底板的厚度是根部梁高的1/10～1/12。在受力要求上，頂板既要承受橋面板的受力，又要滿足力筋的構造要求。

1.3 橫隔梁

在腹板之間設置橫向連接可以提高箱梁的橫向剛度。橫向連接一般是在梁端或者是連續梁中支點的截面處。從受力的角度來說，很多國家減少或是取消中間橫隔板的做法是可取的，因為其作用可以用其他的方法替代，比如局部加強腹板。橫隔板的數量與施工難度是成正比的，這樣一來就會拖延工期，所以為了保證按時完成工程，可以選擇不設或是少設，然而從設計的安全性上來講，最好還是設置。

1.4 其他細部構件

（1）懸臂板。在懸臂板上設置加勁肋或是斜撐，可以增加懸臂板伸出的長度。懸臂自由長度的增加對彎矩數值沒有太大的影響，但是一旦確定了懸臂板的長度，就會對由恒載引起的彎矩產生作用。

（2）梗腋。在頂板和腹板的接頭處設置梗腋，可以使截面的抗扭剛度和抗彎剛度有所提高，并相應地降低扭轉剪應力和畸變應力。為了減小橋面板的跨中正彎矩的數值，可以加大橋面板的支點剛度。另外，梗腋還可以降低次應力。

2 預應力箱梁橋鋼筋的配置設計

2.1 縱向鋼筋

傳統的縱向預應力配索方案是根據在不同應力情況下受彎梁的破壞形態確定出來的，所以這種方案在實際工程中很實用。隨著時代的發展，現代橋梁工程的要求越來越高，傳統縱向預應力配索方案稍有調整，并在20世紀80年代出現了直線式縱向預應力配索方案。以下是對直線式縱向預應力配索方案的介紹：

（1）理論依據。在強大的縱向預應力的作用下，主梁發揮著一個偏心受壓構件的作用，并且縱向預應力和豎直截面所產生的摩擦力完全可以滿足豎直截面對抗剪力的要求。可以利用豎向預應力和縱向預應力來控制腹板的主拉應力。

（2）正確的縱向預應力配索方案。正確的配索方案首先要符合預應力混凝土結構學，其次是結合受彎梁的受力狀態。因為預應力混凝土箱梁橋的情況比較復雜，所以要考慮到縱向預應力配索的錨頭布置等多個方面。在不了解抗剪強度機理的情況下，從長遠的眼光上來看，添加一定量的鋼筋是安全經濟的。

2.2 豎向鋼筋

預應力鋼筋一般是配置在腹板內。從彈性力學理論上來看，豎向預應力具有減小主應力和主拉應力的作用，但是對剪應力沒有什么作用。然而在實際設計中，卻忽略了箱梁的抗剪截面尺寸和抗剪極限承載力的驗算。按理說，腹板尺寸是由抗剪極限承載力決定的，所以豎向預應力對控制應力和控制界面沒有什么作用。另外還有一個原因是箱梁的高度受到了限制，豎向預應力筋無法完全發揮出來。除此之外，還有一個重要的原因是預應力筋與預留孔道之間的粘結操作質量較差，具體原因體現在兩個方面：第一，水泥和粗料集的砂配攪拌成的灌漿料沒有足夠的抗剪強度；第二，砂漿的含水量較大，形同虛設。所以可以取消豎向預應力鋼筋，盡可能地配置腹板鋼筋。

用增加箱梁的截面尺寸代替塑像預應力筋，可以達到提高箱梁的承載力和抗剪能力的效果。常用的增加截面尺寸的方法分別是增加箱梁截面的高度和增加箱梁腹板的厚度。前者受到橋下凈空要求的限制，在設計上不容易實現，并且會影響到橋體的美觀；而后者既可以滿足荷載要求，還可以縮短工期，所以優先選擇增加腹板厚度這種方法。

2.3 底板鋼筋

根據實際情況分析，配置底板預應力鋼筋對提高底板的抗拉能力的效果并不明顯，主要原因有：

（1）在箱梁中跨的底板設置預應力鋼筋，就要在中跨附近的支座處斷開，并且要按照后張法施工，在實際施工很困難，并且施工質量也較差。

（2）波紋管與鋼筋粘結在一起，鋼筋的保護層厚度會不夠，粘結力度也不符合要求，會導致底板產生裂縫，施工質量無法得到保障。

底板產生裂縫的主要原因是：第一，底板鋼筋過密；第二，預應力損失較大；第三，薄底板產生溫縮。對此增加腹板的尺寸，將受力轉移到腹板上，在底板配置預應力鋼筋，可以有效避免裂縫的產生，從而提高混凝土結構的穩定性和安全性。

3 結語

在預應力混凝土連續箱梁橋的設計優化過程中，要重點關注底板、頂板以及腹板厚度，對于橫隔梁和預應力筋的設置要嚴格遵循相關理論進行，并結合實際施工情況進行參考。

參考文獻：

[1]廖雅杰.波紋鋼腹板預應力混凝土箱梁設計方法研究[D].長安大學，2011（05）.

[2]呂志濤，潘鉆峰.大跨徑預應力混凝土箱梁橋設計中的幾個問題[D].土木工程學報，2010（01）.

[3]夏桂云.預應力混凝土箱梁承載力與裂縫研究[D].中南大學，2006（05）.

[4]任國紅.預應力混凝土連續箱梁設計施工中若干關鍵問題的研究[D].合肥工業大學，2005（03）.