预应力混凝土现浇连续箱梁的设计

王鹏

摘要：以某高速公路段上预应力混凝土现浇连续箱梁桥为例，根据桥梁设计的标准，对正常使用阶段箱形梁主梁的正、斜截面的抗裂进行分析研究。计算结果表明：主梁设计满足规范要求。研究为桥梁工程设计提供了理论参考。

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.

关键词：预应力；连续箱梁；现浇混凝土；主梁验算

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

中图分类号：U448.21+3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）06-0128-03

0 引言

预应力混凝土连续箱梁[1]是目前使用较多的桥梁结构形式之一，这种桥梁结构形式具有受力合理、整体刚度大、变形小、整体稳定性好、抗扭能力强以及线形优美等特点。但是预应力混凝土连续箱梁混凝土开裂[2-5]、跨中下挠也是困扰工程界的难题，国内外研究人员针对现浇预应力混凝土连续箱梁开展了大量的模型试验和结构理论研究[2-5]，研究結果表明：现浇预应力混凝土连续箱梁的正、斜截面的抗裂验算是箱梁正常使用阶段的有力保障。

本文以某高速公路主线K63+237处，22+32+22米预应力混凝土连续箱梁桥为例，考虑现浇连续箱梁的预应力钢束布置，对正常使用阶段箱形梁主梁的正、斜截面的抗裂[1]进行分析，为桥梁的设计提供理论依据。

1 工程概述

本桥位于某高速公路主线K63+237处，为跨越某高速公路而设，全长86m。桥梁设计为22+32+22米预应力混凝土连续箱梁桥，桥墩、桥台均径向布置。上部结构采用预应力混凝土连续箱形梁，全桥采用3孔一联，共一联，箱形梁主梁混凝土强度等级为C50，普通钢筋采用热轧HPB300、HRB400，预应力钢绞线公称直径为？准s15.2（7？准5）mm，在两岸桥台处设置80型伸缩缝；下部结构桥墩均采用花瓶墩，承台及人工挖孔灌注桩基础；桥台均采用重力式U型桥台、刚性扩大基础。本文以23+32+22联跨设计为例，对等截面预应力混凝土现浇连续箱梁结构进行实例工程分析。桥梁总体布置图尺寸详见图1。

2 箱梁截面

桥梁上部结构跨径为22+32+22m。主梁采用单箱双室截面，如图2所示。箱梁顶宽9m，其中悬臂长1.5m，悬臂根部厚0.5m，箱梁底宽6m，桥面横坡在桥面铺装中调整，箱梁顶面和底面横向为水平面。箱梁均采用直腹板，梁高1.7m，顶板厚25cm，悬臂端顶板厚15cm，底板厚25cm，腹板厚跨中50cm。桥梁中跨跨中设置1.2cm的预拱度，预拱度从跨中到支点按二次抛物线变化，边跨不设预拱度。

3 预应力钢束布置

由于本联桥梁为多跨连续箱梁桥，进行预应力钢束配置时，综合考虑布跨方式、顶应力损失及次内力的影响，做到钢束配置的最优化、最合理是比较复杂的。结构设计中，考虑到本桥跨度不大，横向为双支座支承的等截面箱梁，故仅设置了腹板束、底板束2种不同的纵向预应力钢束，为单向预应力体系。首先在梁体内布置一定数量的腹板通长钢束，其次布置顶底板钢束，以抵消部分梁体正负弯矩的影响。腹板预应力束仅有竖弯底板预应力束除有坚弯外，在靠近锚国处适当平弯，以便于钢束在箱梁内锚固，减小锚头齿块的尺寸。预应力钢束采用七根钢丝捻制的标准型高强度、低松弛钢绞线，其主要技术性能必须符合《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224-2003）的相关规定。公称直径？准s15.2（7？准5）mm，公称面积140mm2，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa。本桥箱梁预应力锚具采用15-14型。

预应力钢束张拉时，张拉控制应力σk=1395MPa，初张拉应力0.1σk=139.5MPa，张拉力Nk=N·A·σk，N为一束钢束中钢绞线股数。Nk不包括千斤顶的内摩阻及钢束与锚具的摩阻力，这两项摩阻力都应根椐实验确定，总张拉力应为控制张拉力与千斤顶内摩阻力及钢束与锚具的摩阻力之和，OVM锚具采用整束张拉。

4 结构有限元模型与荷载工况

4.1 相关计算参数

结构重要性系数：1.1；梁柱自重增大系数：1.04；主梁二期：61.6kN/m；支座沉降：考虑5mm的支座沉降；系统温度：根据桥梁所处的地区，取系统温升20℃，系统降温20℃；温度梯度：据《公路桥涵设计通用规范》[6]（JTG D60-2015）第4.3.10第三款、第四款规定取值；移动荷载：汽车荷载，桥梁等级为公路Ⅱ级；对于汽车荷载纵向整体冲击系数μ，按照《公路桥涵通用设计规范》[6]第4.3.2条，计算得冲击系数μ1=0.231。

4.2 有限元模型的建立

本桥上部结构体系为连续结构，采用A类预应力混凝土构件设计，用“Midas Civil”对上部结构进行整体受力分析，对各受力阶段进行内力、应力、位移等校核。桥梁所受荷载除结构自重、活载外还考虑了预加力、二期恒载（桥面铺装、墙式护栏等）、温度、不均匀沉降、混凝土收缩、徐变等。最后建立上部结构模型如图3所示。

4.3 荷载工况组合

根据本桥所处环境及设计标准，荷载工况见表1。

5 上部结构的计算与分析

根据《公路桥涵设计通用规范》[6]（JTG D60-2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[7]（JTG D62-2004）相关条文规定对箱形梁主梁进行验算。箱形梁主梁验算分为承载能力极限状态验算与正常使用极限状态验算。其中承载能力极限状态验算主要有施工阶段法向压应力、受拉区钢筋拉应力验算、使用阶段正截面压应力验算、使用阶段斜截面主压应力验算和短暂状况构件应力计算，在设计验算中是较为容易通过的。正常使用极限状态验算包括使用阶段正截面抗裂验算、使用阶段斜截面抗裂验算，在设计中是较难通过的。本文重点介绍箱形梁正截面和斜截面抗裂验算。

5.1 正截面抗裂验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[7]（JTG D62-2004）第6.3.1条第一款规定，正截面抗裂应对构件正截面混凝土的拉应力进行验算。

正截面短期组合与长期组合抗裂验算结果如图4、图5所示。从图4与图5可以看出，在桥墩处会出现压应力骤然变小的情况，甚至在短期组合作用下，可能会有拉应力的出现，这是因为本桥是为三孔一联共一联的连续梁桥的结构，除了两端竖向支撑外，中间也有竖向的边界条件，所以在加载情况下，中间墩有往上的支撑力而使得整个正弯矩分布往上抬而在中支点位置出现负弯矩。

由图4可知，在短期荷载效应作用下，存在最大拉应力为0.2MPa，满足规范要求；由图5可知，在长期荷载效应作用下，主梁全截面受压，满足规范要求，故正截面抗裂满足规范要求。

5.2 斜截面抗裂验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[7]（JTG D62-2004）第6.3.1条第二款规定，斜截面抗裂应对构件斜截面混凝土的主拉应力σtp进行验算。

图6为斜截面抗裂验算结果图。从图6可以看出，在桥墩单元附近应力较大，这是因为本桥是连续梁结构，由于桥墩的存在，在其附近的区域属于剪力和弯矩均较大的最不利区域，最大主拉应力往往出现在这个区域。

由图6可知，由作用短期效应组合和预加力产生的混凝土法向主应力最大拉应力为0.83MPa，小于容许值1.325MPa，满足规范要求。

6 结语

本文以某高速公路主线K63+237处，22+32+22米预应力混凝土连续箱梁桥为例，考虑现浇连续箱形梁的预应力钢束布置，对正常使用极限状态下主梁的正、斜截面的抗裂进行分析，得到如下结论：

①箱形梁正截面抗裂验算结果表明：在短期荷载效应作用下，存在最大拉应力为0.2MPa；在长期荷载效应作用下，主梁全截面受压。箱梁正截面抗裂满足规范要求。②箱形梁斜截面抗裂验算结果表明：短期效应组合和预加力产生的混凝土法向主应力最大拉应力为0.83MPa，小于容許值1.325MPa。箱梁斜截面抗裂满足规范要求。

参考文献：

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