P.C.變截面連續箱梁設計要點分析

朱亞龍，劉 勝

(湖南省公路設計有限公司，湖南 長沙 410000)

P.C.變截面連續箱梁具有安全、經濟、美觀、施工工藝成熟等特點，成為目前公路建設中很常見的橋型，但施工和運營過程中仍有部分箱梁箱體出現不同程度裂縫病害，裂縫的存在對結構的耐久性、安全度和正常使用都會產生十分不利的影響.究其成因，有設計富余量不足、施工質量控制不嚴、養護不到位等前期原因，也有使用超載、外界環境突變、意外事件等后期原因.

然而，結構設計作為控制病害的第一環，需要設計者具有一定的預見性，結合工程實踐，分析以往工程病害的原因，總結經驗教訓，加強薄弱點的構造及配筋處理，提高安全儲備，有效預防病害的出現.

圖1 箱梁一般構造

1 工程概況

某橋布置為(68+2×110+68)m四跨一聯變截面連續箱梁.橋面全寬13.9m，箱底寬7.0m，兩側翼緣寬3.45m.

上部主梁采用單箱單室直腹板箱型截面，墩頂支點處梁高6.5m，邊跨直線段及主跨跨中處梁高3.25m，梁高按1.8次拋物線變化.0#塊和邊跨現澆段采用支架現澆，其余節段均采用掛籃懸臂對稱澆筑，按先邊跨后中跨順序合攏.主梁為縱、橫、豎三向預應力結構，混凝土強度等級為C55，按全預應力混凝土構件設計.

2 縱斷面設計

曲線形變高度連續梁支點及跨中高度經驗公式為：支點高H=(1/16～1/20)L，跨中高h=(1/30～1/50)L.本橋設計取支點梁高6.5m(L/16.9)，跨中梁高3.25m(L/33.8)，梁高按1.8次拋物線變化；箱梁底板厚度為75cm(墩頂)～32cm(跨中)，厚度按1.8次拋物線變化；箱梁腹板厚度為： 80cm～70cm～50cm，具體變化情況見圖1.

箱梁澆筑分段長度分別為11m+5×3m+5×3.5m+4×4m，邊跨和跨中合攏段長2.0m，邊跨現澆直線段長12.0m.主梁0#塊長度一般控制在10.0～12.0m，過長則托架現澆施工不方便，過短則掛籃施工后支點不好立.懸澆分段長度一般控制在3.0～5.0m之間，盡量保證前、后段重量均衡變化，避免懸澆時梁段重量突變，造成應力集中.

3 橫截面設計

3.1 頂板

頂板是橋梁直接承受汽車車軸荷載作用的部位，其病害一般出現在下緣，沿縱向開裂.設計時應根據橫向橋面板計算確定其厚度及配筋，計算過程中橫向預應力鋼束的作用應做折減，并適當加強頂板下緣鋼筋的配置.因為在實際施工過程中，頂板較薄，橫向預應力鋼束與普通鋼筋交錯布置，且操作空間有限，橫向預應力鋼束的“偏心距”較難精準控制，一旦偏差較大，很容易造成橫向預應力不足，導致頂板下緣開裂[1].

3.2 底板

底板厚度由跨中至墩支點呈1.8次拋物線變化，設計時應滿足受壓區高度不超過底板厚度，保證腹板不受壓.跨中底板鋼束屬于“凸”形束,與抵抗跨中正彎矩的理想形式相反,鋼束的徑向力容易引起沿底板束面發生徑向撕裂[2].徑向力大小根據底板各鋼束永存應力換算得出，可按下列公式計算：

F=N·tan(a)/b

式中：F—作用于橫向框架底板每根預應力鋼束位置處的徑向分力(KN/m)；

N—考慮預應力損失后每根底板預應力鋼束的有效應力(KN)；

a—梁段之間的相對轉角；

b—徑向力沿橋縱向的平均分布寬度.

設計時根據橫向環框計算確定底板厚度和配筋，其裂縫寬度建議控制在0.13mm以內.

3.3 腹板

腹板尺寸主要受斜裂縫(主拉應力裂縫)控制,斜裂縫一般發生在支點和四分點附近,并逐漸地向受壓區發展和延伸[3].腹板尺寸主要通過主梁縱向抗剪計算確定，計算時一般不計豎向預應力作用(作安全儲備)，也不考慮變高度梁段內附加剪應力的影響，計算結果需滿足規范尺寸效應及抗剪承載力的要求.腹板厚度應結合主拉應力大小由支點向跨中逐步減小，使主梁主拉應力大小盡量均勻分布.腹板斜裂縫成因比較復雜，除受腹板厚度及配筋控制外，局部應力引起的徐變、腹板內外環境溫度變化差異等影響也比較大，設計計算時建議將主拉應力控制在0.8MPa以內.

截面尺寸滿足結構計算要求的同時還應結合預應力管道及鋼筋位置綜合考慮確定，注意鋼筋(鋼束)凈保護層厚度以及預應力鋼束錨端張拉的凈邊要求.

4 齒塊設計

齒塊作為鋼束錨固點，承受局部應力較大，是病害經常出現的部位，其前后與主梁接觸面一般為受力薄弱點，較易產生裂縫，如圖2(a)中位置1、位置2處，產生的原因：位置1，端部強大的集中預加力作用下，在錨下的一定范圍內，存在著很高的劈裂應力，容易造成開裂；位置2，在預應力鋼束彎曲處產生徑向壓力，這個壓力直接對鋼束曲線內側的混凝土產生作用，導致此處混凝土的崩出或剝落[3].設計時可從構造和配筋上加強處理，如圖2(b).①將齒塊主筋加強并與底板鋼筋焊接成整體骨架；②錨下局部受壓鋼筋加強并伸入主梁腹板、底板錨固；③增大齒塊頂角，調整預應力束圓曲線位置，使鋼束徑向力錯開交接薄弱點.

(a)

(b)

5 預應力管道布置

預應力管道布置是否合理直接關系到施工質量的控制.三向預應力應盡量與主梁鋼筋避開，如圖3所示腹板鋼束置于頂板下層鋼筋之下，錯開倒角鋼筋，避開豎向預應力封錨端；頂板鋼束置于橫向預應力之下，避開腹板箍筋及頂板下層鋼筋；梗腋形式則依據T6、T7號鋼束管道的保護層厚度來確定；底板鋼束布置時應盡量靠近腹板，上層鋼束B7、B3b置于底板上層鋼筋之上，在底板厚度變化時，B7、B3b鋼束也應隨之對應變化.

圖中僅示意墩頂及跨中標準斷面布置，對于其他梁段，縱向鋼束走向有平彎、豎彎，難免會與鋼筋沖突，施工過程中可適當調整鋼筋間距，并嚴格控制不得隨意將鋼筋截斷.

圖3 箱梁索孔布置標準斷面

6 結構計算

6.1 計算圖式

結構采用“橋梁博士3.6”進行計算，按平面桿系理論，將上部主梁縱向共劃分為122個單元，建立123個節點.按照實際施工過程共劃分為18個施工階段和1個使用階段，求得構件在施工階段和使用階段時的應力、內力和位移，并根據規范中所規定的各項容許指標，驗算構件是否滿足規范規定的各項要求.

圖4 計算模型

6.2 荷載分析

結構縱向受力只要包括：結構自重、汽車荷載、溫度力、不均勻沉降、收縮徐變以及施工時人員、機具、掛籃等荷載.汽車荷載按公路-Ⅰ級車道荷載計入；溫度力按體系整體溫升25°、整體溫降25°及梯度溫度效應計入；不均勻沉降按邊支0.8cm，中支1.2cm計入；收縮徐變按30年考慮；施工機具、人員及掛籃重量，一般按最大梁段重的0.35～0.45倍考慮.

6.3 計算結果驗算(計算圖示僅示半橋)

圖5 主梁抗彎承載力(KN.m)

時間節點：剛成橋

時間節點：成橋30年后

時間節點：剛成橋

時間節點：成橋30年后

由于混凝土收縮、徐變會引起構件受拉區和受壓區預應力鋼筋的應力損失，主梁各計算指標值也會有一定范圍的變化，所以，結構驗算時應考慮一個時間階段的結果而非一個時間點的結果.以本橋為例，計算剛成橋和成橋30年兩個時間節點，就可以大致了解成橋30年內主梁承載能力、應力及鋼束應力的變化情況，如下表1：

表1 計算結果對比表

通過以上對比表可知，在30年收縮徐變的影響下，混凝土最大、最小壓應力及鋼束拉應力會逐漸減小，而混凝土最大主拉應力會逐漸增大.

主要驗算結果：

(1)主梁抗彎承載力設計值均大于作用效應組合設計值，且截面最小富余較大，承載能力完全滿足要求.

(2)主梁正截面砼最大壓應力為剛成橋時：σkc+σpt=16.2(MPa) ≤0.5fck=17.75 (MPa)，滿足規范C55砼彈性階段受壓要求.

(3)主梁正截面砼最小壓應力儲備為成橋30年后：0.5(MPa)≥0(MPa)，滿足規范全預應力砼受彎構件正截面抗裂要求.

(4)主梁斜截面砼最大主拉應力(支點位置失真)為成橋30年后：σtp=-0.63≤0.4ftk=-1.1(MPa)，滿足規范全預應力砼受彎構件斜截面抗裂要求.

(5)受拉區預應力鋼筋的最大拉應力為剛成橋時：σpe+σp=1203MPa≤0.65fpk=1209MPa；滿足規范預應力材料彈性階段的使用要求.

通常，設計采用平面桿系有限元進行計算,假定箱梁全截面受力,頂、底板的壓應力分布均勻.事實上，對于預應力混凝土連續箱梁，由于剪力滯和大噸位鋼束錨固的影響，箱梁各截面的應力分布是不均勻的(如腹板附近的頂底板正壓力相對較大)[1].在設計過程中應對截面正應力上下限進行控制，保持一定的安全儲備，否則極易導致箱梁應力值超限，出現腹板和角隅裂縫、頂底板沿管道開裂等質量事故.

7 結語

本文以一實際工程設計為背景，主要介紹了P.C.變截面連續箱梁在尺寸擬定、預應力鋼束布置、計算控制等方面一些經驗總結.但仍有許多方面沒有涉及，如縱向下彎腹板鋼束布置、預應力鋼束張拉和壓漿工藝、溫度效應、地震效應等都很值得探討.

隨著國內經濟的高速發展，交通運輸業也愈發繁忙，超載超限行為屢禁不止，許多橋梁已超負荷運轉，病害日益突現.近年來國內行業規范也在不斷的完善，不斷的提高標準.作為設計工作者，我們應該具備一定的前瞻意識，高標準嚴要求，結合施工實踐，不斷總結經驗，優化設計，做精品工程.使我們建設的橋梁在面對超載、偏載、極端氣候條件等不利效應疊加時，仍能滿足正常使用的要求.