预应力混凝土连续梁钢束布置方案的探讨

周加生

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海市 200235）

0 引言

随着桥梁工程的发展，张拉设备及施工工艺的进步，预应力混凝土连续梁已作为桥梁结构的主流形式。但作为其中关键的受力钢筋，由于受超静定结构二次力的影响，其钢束布置复杂多变，难以把握。现结合工程实例，在不影响相邻联钢束施工的前提下分别采用常见的配置腹板束和顶底板束及仅配置腹板束两种方案，从技术经济、结构受力性能和设计施工便利等角度进行分析比较，推荐优先采用仅配置腹板束方案，并就如何优化钢束几何形状进行了说明，可为同行进行预应力钢束布置提供借鉴[1,2]。

1 实际工程的两种配束方案

城市立交桥梁要求其外观优美、线形流畅、跨越能力大且对曲线及变宽段适应性强，同时考虑到经济性，根据近年来我国多条高架道路桥梁建设经验，以30 m为标准跨径较为合适。某立交桥梁主线采用分离式结构，全线标准联采用3×30 m预应力混凝土连续箱梁，梁高为2 m，单侧桥面宽度12.84 m，其横断面见图1。

现采用两种不同的配束方案按照A类预应力混凝土构件进行计算，方案一为单个腹板配置单排腹板束，搭配顶底板束，方案二单个腹板配置双排腹板束，箱梁腹板厚度作相应调整，方案一腹板跨中厚度为0.4 m，支点处加厚至0.6 m，方案二腹板跨中厚度0.5 m，支点处加厚至0.8 m。两种方案具体钢束布置形状见图2、图3。

图1 横断面布置图（单位：mm）

在以上两种配束方案均能满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004规定的持久状况承载能力极限状态及持久状况正常使用极限状态计算的各项要求情况下，材料用量见表1。通过表1对比发现，方案二与方案一相比，钢束用量、波纹管长度以及锚具数量均要减少，而且钢束和锚具种类单一；由于方案二腹板加厚，造成混凝土用量比方案一高出3.48%，但是混凝土价格相比其他材料价格低廉，因此方案二相比之下，施工便利，施工质量更容易得到保证，缩短了施工周期，节约了投资。

2 两种配束方案计算结果比较

基于以上两种不同的钢束配置方案，其正常使用极限状态抗裂验算结果见图4、图5。图中应力单位为MPa，压应力为正，拉应力为负。

图2 方案一钢束布置图（单位：mm）

图3 方案二钢束布置图（单位：mm）

表1 钢束布置方案比较

图4 方案一正常使用极限状态抗裂验算

图5 方案二正常使用极限状态抗裂验算

通过对比两种配束方案下结构受力发现，中支点截面和梁端处为结构受力的薄弱环节，在短期效应组合下，方案一支点处截面主拉应力为1.16 MPa大于方案二0.89 MPa更接近于规范规定的限制1.325 MPa；方案一结构应力图线形呈锯齿状，由于存在很多短束，存在大量的齿块，引起应力集中，齿块本身为结构受力的一个薄弱点，齿块自身及其端部容易产生裂缝，施工繁琐且质量得不到保障。方案二结构应力图线形更加流畅。在标准组合下，方案二上下缘压应力储备分别为7.68 MPa和6.01 MPa，比方案一8.23 MPa和5.73 MPa受力更加均匀。就整体受力性能而言，方案二结构受力比方案一更加优越。

3 梁端配束问题

腹板束在梁端的锚固位置不外乎本文的两种配束方案，如方案一腹板束锚槽不进入端横梁，虽然这样张拉腹板束不受相邻联箱梁的限制，有利于加快施工进度，不受端横梁钢束的干扰，但是由于降温梯度的影响，箱梁上缘梁端出现较大的拉应力1.76 MPa，见图6，在恒载（包括预应力效应）作用下，箱梁下缘近梁端处产生较大的峰值拉应力1.09 MPa，见图7，因此梁端均需设置单端张拉的顶底板束来降低近梁端上下缘拉应力；同时《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3—2005）明确规定：腹板下端桥轴方向的预应力钢筋至少应有1/2伸过支点。虽然《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）没有明确规定，但对公路及市政桥梁设计仍然具有借鉴意义。由此可见，从结构受力及规范规定上看，钢束通过端支点是必要的，但是按照方案一这种常见的配束思路，采用单端张拉顶底板束，若出现断丝的情况难以采取补救措施，再者腹板束从桥面张拉，施工期间若未注意防水措施，容易引起锚头锈蚀，从而造成结构耐久性能降低。

方案二仅配置腹板束，张拉端位置过支点，但距梁端的距离不得小于伸缩缝槽口。同时纵向钢束和端横梁横向钢束设计时稍加调整也可以避免钢束之间相互干扰。为了不影响相邻梁端钢束张拉，过渡墩处相邻两联腹板束可采用先后张拉顺序。因此稍微加强设计，方案二的配束方案丝毫不会影响施工的可行性。

图6 方案一降温梯度上缘正应力

图7 方案一恒载+预应力效应作用下下缘正应力

4 配置顶底板束问题

对于预应力混凝土连续梁，中跨下缘的钢束预应力使支点处截面上缘拉应力减小，支点处截面下缘拉应力增大，跨中处下缘的拉应力减小；中跨上缘的钢束预应力使支点处截面上缘拉应力增大，跨中处截面上缘拉应力减小，支点处截面下缘拉应力减小；支点上缘的钢束预应力使支点处截面上缘拉应力减小，跨中处截面上缘拉应力增大，跨中处下缘的拉应力减小；支点下缘的钢束预应力使跨中处截面上缘拉应力减小，支点处截面下缘拉应力减小，跨中处截面下缘拉应力增大。不同位置施加预应力引起关键截面短期效应组合下（未考虑其他钢束应力效应影响）拉应力变化见表2。因此对于方案一在恒载作用下支点上缘存在较大拉应力，需要配置支点上缘预应力钢束T1L、T1R来克服，而T1L、T1R钢束又会引起跨中上缘拉应力的增加，因此需要设置过中支点的中跨上缘预应力钢束T2和边跨上缘预应力钢束T3L、T3R；同理在恒载作用下跨中下缘存在较大拉应力，需要在跨中下缘配置预应力钢束B2~B4，这些钢束同样会引起支点下缘拉应力增大，因此需要设置过支点底板束B1。经上述分析，按照方案一配束思路，某些关键截面配置局部短束消除拉应力的同时会引起其他截面拉应力的增加，因此钢束之间产生的应力有相互抵消效应。相对于钢束在箱梁腹板内根据受力需要弯起的方案二来说，方案一预应力钢束利用效率有所降低。

5 预应力钢束布置应注意的几个问题

在进行预应力混凝土连续梁设计过程中，预应力钢束的布置工作往往是设计过程中的重难点。下面将笔者在设计过程中经常遇到的几个问题加以说明，第一：对于跨径相等的多跨预应力混凝土连续梁，连续梁边跨内力大、中跨内力小，但是由于预应力二次效应及降温梯度效应的影响并非中跨跨中底板束一定比边跨跨中底板束少；第二：在中支点两侧附近因为腹板束弯起引起梁截面下缘拉应力线形出现局部隆起现象，可以通过减小腹板束弯起角度，使此处拉应力局部隆起效应得到明显改善；第三：对于仅配置腹板束方案二，预应力钢束线形较方案一平缓流畅，且钢束群弯折中点一般位于恒载反弯点附近；第四：对于方案二在施工阶段端横梁的计算宽度需要扣除梁端槽口宽度，因此一般情况下方案二端横梁较方案一要宽。

表2 关键截面应力变化表

6 结语

通过对上述工程实例研究分析，对于常规中等跨径预应力混凝土连续梁，在满足结构持久状况承载能力极限状态及持久状况正常使用极限状态的要求下，虽然采用腹板束加顶底板束的形式，配束比较灵活，很容易使结构满足受力要求。但不妨通过适当增加箱梁腹板厚度，采用仅配置腹板束的形式，不仅提高预应力钢束的使用效率，改善结构应力状态，还能在方便施工、缩短施工周期和节约投资上取得很好的效果。