变截面预应力混凝土连续箱梁桥的横梁设计.pdf

6 4 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 3 月第 3 期 变截面预应力混凝土连续箱梁桥的横梁设计 周海霞 ( 南通景成交通规划设计咨询有限公司， 江苏南通 2 2 6 5 0 0 ) 摘要： 该文对变截面预应力混凝土连续箱梁桥的横梁构造、 计算模型， 以及配筋设计 ， 结合具体工程实例进行了分析。 关键 词 ： 变 截面 预应力 混凝 土连续 箱梁 ； 横 梁 ； 构 造 ； 模 型 ； 配筋 中图分类 号 ： U 4 4 8 2 1 + 5 文献 标识 码 ： B 文章编 号 ： l 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 6 4 0 3 0 前言 随着 内河航道等级不 断提升 ，跨越航道 的桥 梁跨径也 随之增大 。变截面预应力混凝 土连续箱 梁桥以其施工工艺成熟、 结构整体性能好、 后期养 护方便 ， 在跨越 V一级航道中得到广泛 的应用 。 变截面预应力混凝 土连续箱梁桥的计算主要 包含纵桥向和横桥向计算两方面。对于纵桥向， 以 及横向桥面板的计算 ， 在 公路钢筋混凝土及预应 力混凝土桥涵设计规范 ( 以下简称桥规 )中均有 明确的规定， 上部构造建模型时计算截面、 单元划 分、 恒载， 以及活载的加载都比较明确， 对于一般 的正交直线桥梁采用平面杆系计算软件即可满足 设计要求。而横梁 的计算 ， 目前规范 中未做 明确的 规定，本文主要谈谈对变截面预应力混凝土连续 箱梁桥横梁的一些设计体会。 1 横梁的构造 由于箱形截面具有很 大 的抗扭刚度和横 向弯 曲刚度 ， 因此荷载可以比较均匀地被传递 ， 但当传 递腹板 间的垂直剪力时 ，相对较薄 的顶板 和底板 会挠 曲变形 ，荷载不能如整体 的板式截面那样分 布至全 宽上 。通过设置横梁可以减少这种 因扭转 而产生的变形 。但 由于过多地设 置横梁施 工 比较 麻烦 ， 并且会引起局部 刚度过大 ， 应力 集 中 ， 故一 般直线桥梁仅考 虑在支点处设置 ，以传递 腹板 的 垂直剪力到支座 外。其 主要承受桥梁上部整体结 构传递至支点处的恒载和汽车活载反力。 一 般桥 梁在 支 点处 通 常设 置 矩形 截 面 的横 梁 ， 宽度在 1 53 0 m之间 ； 也有部分桥梁在 中支 点处设置双横梁, H P 顺桥 向上在支座上部形成一箱 形截面。设置双横梁， 可以增大其抗弯刚度 ， 但在 构造上却相对比较复杂， 不利于施工质量的控制。 收稿 日期 ： 加 l 2 - 0 l - 0 3 作者简介： 周海霞( 1 9 7 8 一 ) ， 女 ， 江苏南通人， 工程师。 从事道 路 桥梁 工程设计 工作 。 一 般 5 0 9 0 m跨 径左右 的连续箱 梁设置单 一横 梁 即能满足受力要求 ，设计应尽量考虑在满足构 件受力的前提下， 选择有利于施工的截面形式。 2 横梁的计算模型 变截面预应力混凝土连续箱梁桥一般采用 桥 梁博 士平 面杆系进行计算 ，横梁的计算模 型主要 是横梁计算宽度的采用和荷载的模拟。 2 1 横梁的计算宽度 毫无疑问 ， 横梁两侧的翼缘在横梁受力上是提 供抗力的，但是其有效宽度桥规并没有做出明确 的规定， 而对 T梁有效翼缘宽度和箱梁上、 下翼缘 的有效宽度的规定并不适合横梁的计算。通过空 间有限元的分析， 可以确定横梁的受力状态 ， 以及 翼缘参与受力的有效宽度，但对于工程设计不可 能每个横梁都进行 空间有 限元进行 分析 ，可利用 平面杆系进行简化计算。计算宽度横梁一般采用 矩形截面或取工字形截面。 采用简化的平面模型进行计算， 同结构的实际 受力状态存在一定的差别，如不考虑翼缘提供的 抗力 ， 采用矩 形简化截 面进 行分析 ， 横梁 上 、 下缘 产生的应 力状态肯定 比实 际状态要大 。并且 中横 梁相对于端横梁来说， 偏差较大， 这是因为端横梁 只有一侧翼缘参与作用 ，而中横梁有两侧翼缘参 与作用。对于钢筋混凝土横梁， 可以偏保守地取矩 形截面 ， 有利于裂缝的控制。但是对于设 置预应力 的横梁 ， 过于保守， 过大的预应力会使上缘产生过 大的拉应力 ， 应适 当考虑翼缘 的宽度 ， 取工字形截 面 ，翼缘 的有效宽度根据经验可取 6倍 的顶板厚 度 。 2 2 荷载的分布 箱梁的荷载主要是通过腹板来传递的， 腹板承 受了大部分的剪力 ，采用平面杆系简化计算一般 采用以下 3种方法 ： ( 1 ) 箱梁的所有剪力都是通过 腹板传递到横梁上的， 忽略上 、 下底板的作用 ， 即 腹板剪力法，荷载全部以集中力的形式作用于腹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 3 月第 3 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 6 5 板位置 ( 见 图 1 ) 。( 2 ) 腹板 传递 8 0 的剪力 ， 其它 2 0 的剪力 均布于整个横梁 承担 ，即等效剪力 法 ( 见 图2 ) 。( 3 ) 恒载按照上述第 2种方法布置 ， 车辆 荷载支反力全部等代为汽车荷载并布置于横向加 载有效 区内 ， 利用桥梁博士软件计算 ， 可将一车道 的活 载产生 的支反力 作为横 向分布 系数代人 ， 采 用横 向加载 的方式 ，程序会 自动计算或活载 的最 不利位置产生的最大效应 。 图 1 腹板 剪力法示 意图 图 2 等效 剪力法示 意图 对 于单箱 单室的箱梁 ，支座对称 布置在腹板 两侧 ， 荷载可均分布置 。但对 于单箱多 室的箱梁 ， 由于横梁较 长 ， 其对腹板有 明显 的弹性支撑作用 ， 其 内力受 到支座 布置 的影 响较 大 ，近支点的腹板 传递 的剪力较 大 ，边腹板 的剪力要大 于 中腹板 的 剪力 ， 一般横 向预应力张拉后 ， 各个腹板 的受力会 趋于均匀 ， 设计从安全角度出发 ， 荷载应该考虑两 种情况 ： ( 1 ) 各个腹板均分 ； ( 2 ) 边腹板是 中腹板 的 1 2倍。 以上几种 不 同的计算方 法从 理论上 分析 ， 箱 梁的上部荷载均是先 由桥面板传递至箱梁腹板， 然后再由腹板传给横梁的， 忽略了该部分的作用 ， 明显不合理 ；而将永久荷载与车辆荷载全部按集 中力加载 于腹板位置 ，未考虑 到车辆荷 载的横 向 不均匀分布 ，也偏 于不安全 。设计应全 面综 合考 虑 。 2 3 工程实例计算结果比较 以一座跨 级航 道 的变截面预应力 混凝 土连 续箱梁为 例 ，主桥跨径布置 为 5 0 m+ 8 0 m+ 5 0 m， 桥面全 宽 1 2 m。 采用单箱单室直腹板截面 ， 箱梁 中 支点高度为 4 5 m， 边支点及跨 中高度为 2 2 m， 箱 梁底宽 6 5 m， 两侧翼缘板 长度各 2 7 5 m， 在 中点 ， 以及端支点处设置横梁， 中横梁宽度 2 5 m， 端横梁 宽度 1 8 m， 顶板， 以及底板厚度在距横梁边缘 2 m 处开始变厚 。 其结构尺寸如 图 3 5所示 ( 单位以 e m计 ) 。 设计 分别按 照矩形 截面的三种简化方法进行 了计算 ， 并对计算结果进行了比较 ， 比较结果如表 1 所 列 。 横梁 的最 大弯矩均发生在 支座位置 ，从表 1 可 以看 出将恒载 的 8 0 按 照集 中荷载均分于两腹 板 ， 其余均匀布置； 将车辆荷载支反力全部等代为 汽车荷载并布置于横 向加 载有效 区内 ，计算结果 最为保守 。 在建模时候 ， 支座处采用 的是点 支撑 ， 导致恒 载产生了偏心弯矩 ；而 实际上 ，支座都是有 面积 的， 大部分 恒载通过腹板直接传递到支座 了， 所 以 采用平面杆系的这种建模方式是偏于保守的， 基 本能够满足设计需要 ； 毕竟对于工程而言 ， 我们追 求的不是 百分之百 的精确性 ，更重要 的是桥梁在 使用过程 中的安全性能。 3 横梁 的配筋 如果采用普通钢筋混凝土横梁，可根据最为保 守的计算结果进行配筋。 对于该例来说 ， 中横梁和端 横梁的高跨比均小于 2 5 ， 为深受弯构件。而桥规中 对于深梁的构造配筋未有明确要求 ，忽视了横梁深 受弯构件这一结构特性 ， 会带来一定 的安全 隐患。 在 混凝土结构设计规范中的附录 G对深受弯构件 的构造 和配筋都作 了明确的要求 ： ( 1 )单跨深梁和 连续深梁 的纵 向钢筋宜采用较小 的直径 ，且下部 纵 向钢筋 宜均匀分布在梁下边缘 以上 0 2 h ( h为 截 面高度) 的范 围内 ， 连续深梁 中间支座截面 的纵 向受拉钢筋宜按规定 的高度范 围和配筋 比例均匀 布置在相应高度范围内。也就是说对于深梁纵向 钢筋的布置不是同一般受弯构件那样，将钢筋尽 可能 的布置在截面 的上缘或下缘处 ，对于下缘正 弯矩纵 向钢筋 ， 应该下缘 以上 0 2 h范围内均匀布 置 ； 对于上缘负弯矩纵向钢筋， 应该上缘以下 0 8 h 范围内根据不 同的高跨 比进行布置 。( 2 ) 深梁应配 置双排钢筋 网 ，水平和竖 向分布钢筋间距不应大 于 2 0 0 mm， 且在双排 钢筋之 间应设 置拉筋 ， 间距 不宜大于 6 0 0 m m。( 3 ) 纵向受拉钢筋 、 水平分布钢 筋和竖向分布钢筋的配筋率不宜小于表 G 0 1 2中 规定的数值。配置钢筋时， 从安全角度出发应作为 参考 ， 结合具体设计尽 量满足 。对于第 ( 1 ) 条的要 求 ， 建议采 用普通钢筋 混凝土 构造 的横梁 ， 在 上 、 下缘仍按照一般受弯构件的要求需 配置满足裂缝 宽度要求 的主筋 ，比如该例 中横梁支点上缘根据 计算需配置 8 2 2 8的钢筋 ，在顶层布置双排主筋 ( 注意在配置纵向预应力钢束时， 顶层的钢束到顶 面需保 持一 定 的净距 ，以避 免横 向钢 筋 同其 交 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 桥梁结构 城市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 3 月第 3 期 图 3 上部结构半 立面图 支座中心线 图 4 中支 点横断面 图 支座中心线 图 5 边支点横 断面图 施工条件的限制一般会 比计算 的理论数值打折扣， 所以即使是配置 了预应力钢筋， 也仍 然需要配制一 定数量 的普通钢筋 。对于该例 的中横梁来说 ， 由于 截面上缘 以下 0 8 m的范 围内均 布置 了纵 向纵 向 预应力钢筋 ，横梁的横 向预应力钢筋只能在 以下 范 围内布置 ， 在上缘 以下 1 0 m处 ， 以及 1 4 m处 ， 下缘 以上 0 4 I l l 处 ，以及 0 8 m处 布置四排共 1 6 根的 J L 3 2 m m预应力高强精轧螺纹粗钢筋 ，采用 第 1 种和第 3 种加载方式， 上 、 下缘的应力都在规 范限定 的范围之 内。由于该 例箱梁 的悬臂长度较 短， 桥面板中未设置横向预应力钢筋 ， 对于那些在 桥面板中未设置 了横 向预应力钢筋 的桥梁 ，在进 行横梁计算 时 ，该部分 的横 向预应 力钢筋应一并 代人计算 。 由于该例横梁支点间距较小 ，考虑到施工 的 便利性 ， 该例采用普通钢筋混凝土横梁 。无论采用 何种配筋方式，都应注意满足钢筋的最小净距要 求 ， 以保证混凝土振捣密实。 表1 不 同 计 算 模 型 结 果 比 较 表 4 结语 叉 ) ； 同时在截面上缘 以下 O 8 h范 围内也配置等面 积 的小直径主筋 ，采用 1 6的钢筋 ，根据 附录 G 的要求 ， 均匀分布在配筋范 围内。对于一般三跨连 续梁桥来说横梁的数量很少 ，增加 的钢筋重量几 乎不影响工程的造价 。 横 向预应力索在 由于起在截面 中所处高度 的 变化 而产生 的应力结果相差较 大 ，设计 时应精心 确定其位置 ，使其针对不同的计算模型均能满足 规范对部分预应力混凝土构件 上 、下缘应力 的要 求 。由于受构件构造及箱梁纵 向预应力钢筋 的影 响 ，横 向预应力钢筋要避免同纵向预应力钢筋及 横梁处的人孔构造 的交叉 ，其 布置位置选择 的空 间较小，对预应力 的效应还是有一定的影 响的； 同 时在实际施工 中， 横 向预应力 的实 际效果 ， 由于受 对于支座布置为正交 的直线桥梁 ，弯矩 和扭 矩相互之 间影 响较小 ，由偏 心荷载引起 的扭矩对 主弯曲应力 的影响也很小 ，但对 于半径较小 的曲 线桥 ， 以及斜交 的连续梁 桥 ， 由于纵横 向弯矩的耦 合作用 ， 各腹板 的受力相差较 多 ， 横梁的受力 比较 复杂 ， 不能简单地进行简化计算 ， 应采用有限元法 进行分析 。 考虑到横梁处采用预应力钢筋的实际效果 同 理论计算会 有很 大的差别 ，建议对于支撑点间距 较小的单箱单室截面采用钢筋混凝土构造，有利 于施工 ；对于单箱多室 的截面可采用预应力混凝 土结构 ， 由于计算模型 同实际有一定 的差别 ， 应按 部分预应力混凝土构件设计 ， 防止预应 力过大 ， 同 时必须配置一定数量的普通钢筋 ， 作为安全储备 。 参考文献 1 J T G D 6 2 2 0 0 4 ， 公路钢筋 昆 凝土及预应力混凝土桥涵设计规范【 s 2 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0， 混凝土结 构设计规 范 s 3 徐岳 ， 王亚君 ， 万振江 预应力混凝 土连续桥 梁设计 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m