悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁精细化设计探讨

张 莉

(无锡南洋职业技术学院，江苏 无锡 214081)

1 概述

伴随着我国桥梁事业的不断发展，悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁凭借其整体性能好、结构刚度大、变形小、行车舒适性好、施工方便、经济性好及后期养护少等优势深受设计、施工与管理部门的青睐，在50 m～150 m范围内成为最有竞争力的桥型之一。

然而，在悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁的施工与运营中总是出现各种各样的病害[1-4]，尤以箱梁裂缝居多，如腹板裂缝、顶板裂缝、底板裂缝等，甚至近年来在国内出现几起正在施工的悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁(或连续刚构)底板整体崩裂现象[5]，给该类桥梁的进一步发展应用蒙上了阴影。

因此，为更大限度地发挥悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁的技术经济优势，保证在全寿命周期内的耐久性，本文从设计角度针对性地提出了该类桥梁精细化设计的主要内容。

2 悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁的精细化设计

2.1 总体布置

2.1.1平面桥跨布置及梁高的确定

从国内已建成的该类桥梁统计分析建议：悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁的边中跨比值以控制在0.55～0.6范围内为宜，条件受限时边中跨比值也不宜超过0.52与0.65(否则建议调整主跨)。梁高的选择一般按最大跨径确定，梁高与最大跨径的比值，跨中断面一般控制在1/40～1/60范围内，支点断面一般控制在1/15～1/20，当前常用的支点断面梁高一般控制在1/16.5左右。跨径越大，梁高与主跨跨径的比值越小，并应综合考虑通航净空要求和与引桥梁高相协调。考虑到以往工程实践经验，宜适当增加1/8～1/3跨区域梁高，以增强该区域内斜截面的抗剪强度。

2.1.2箱梁截面选型

箱梁截面选型是预应力混凝土连续箱梁桥设计的重要内容，截面形式的合理与否直接决定了桥梁纵横向受力的合理性、横断面的有效宽度、箱梁的抗剪、抗扭、抗弯承载力与整体经济性。在设计箱梁截面时通常可选的形式有单箱单室、单箱多室、双箱单室及宽翼缘倒梯形等截面形式，鉴于宽翼缘倒梯形截面的施工较为复杂，在国内一般悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁中较少采用，双箱单室截面存在箱梁间纵缝的处理问题，在工程实践中应用也较少，这里不做深入讨论。

就单箱单室与单箱多室的箱梁截面而言，应主要考虑其与桥面宽度及桥梁跨度的匹配性。同样16.5 m宽的桥面，50 m～80 m的主跨单箱双室截面是合适的，而当主跨是150 m时，单箱单室的截面则更合适。针对100 m以内悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁的截面选型建议如下：

对不同宽度桥面的箱梁选择合适的箱室个数，对采用直腹板形式的箱梁，常规桥面宽度在14 m以内的可考虑采用单箱单室断面，桥面宽度在14 m～23 m范围内的考虑采用单箱双室断面，桥面宽度在23 m～30 m范围内的考虑采用单箱三室断面，见图1。

箱梁悬臂大小、箱室宽度应与主跨大小同步考虑，尽量保证箱梁横断面的有效宽度较大，使横断面各部分能有效参与受力。

2.2 结构设计

2.2.1顶、底板厚度及梗腋的设计

顶板的厚度主要由箱室横向受力、纵横向钢束的布置要求确定，一般顶板厚度控制在25 cm～30 cm范围内。底板厚度须满足受压承载力、抗崩裂力及底板钢束、钢筋的布置要求，一般跨中段底板厚度控制在25 cm～30 cm范围内，向支点方向按抛物线或圆曲线逐渐加厚。支点处底板厚度一般取值范围控制在1/5～1/9梁高。

顶板与腹板之间、底板与腹板之间均要求设置加腋，建议箱梁加腋构造的高度与宽度均按不小于0.3 m控制。顶板与腹板的梗腋还应考虑顶板预应力钢束的布置与张拉锚固，水平宽度一般较大(100 cm～200 cm)，底板与腹板的梗腋则主要满足力的平顺传输与底板齿块锚固钢束的空间需要，水平宽度一般在40 cm～60 cm范围内。

2.2.2腹板厚度设计

悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁(或连续刚构)腹板厚度的设计一直是该类桥梁设计的难点，一方面既有PC连续梁(或刚构桥)常常因为腹板厚度设计不合理产生一系列病害[4，6]，另一方面在腹板厚度选用方面的研究很少，一般只定性要求谨慎选择。

腹板厚度的选择一般需考虑以下几方面：1)满足抗剪与抗扭的承载能力要求；2)满足预应力钢束布置、中间锚固及锚下局部承压力的构造要求；3)满足混凝土浇筑、钢束与钢筋保护层厚度的构造要求；4)满足顶、底板与腹板刚度协调的要求。因此，具体设计时，腹板厚度不宜过小。根据主梁受力特点，建议从跨中向支点，腹板厚度分段采用不同厚度的方式，不同厚度间设置合理的渐变段(建议取两个节段长)。参照国内外规范，一般跨中截面对既有纵向管道又有竖向管道的腹板最小厚度建议取40 cm，支点附近的腹板厚度取值未见具体建议。

工程实践表明：预应力混凝土连续箱梁的梁高通常按照主跨的一定比值选取即可得到满意的抗弯刚度。鉴于抗剪对腹板的厚度选择起决定性作用，而弹性状态下，截面抗剪能力是否满足取决于截面上的竖向荷载作用与截面自身抵抗剪力的截面大小及截面配筋，截面上竖向荷载作用的大小又与桥面宽度正相关，故可认为箱梁腹板厚度的大小与桥面宽度存在一定的正相关关系。在既有悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁桥设计实例的基础上，本文建议在合理梁高选择的基础上(见前小节)，公路与城市桥梁对应截面每米腹板厚度的桥面宽度取值控制在6.5 m～10 m(将箱梁各腹板厚度叠加起来考虑)，此时即可满足受力与构造需要。

2.2.3横隔板、齿块及人孔的设计

横隔板的基本作用是增加截面的横向刚度，限制畸变应力，支承处的横隔板还担负着承受较大支反力与横向弯曲的作用。由于箱梁截面有着强大的抗扭刚度，其横隔板的布置相比肋式梁桥要少一些。综合考虑结构受力与施工的便易性，通常只在跨中局部需要增强刚度的情况下加设跨中横隔板，一般只在支点处设端横隔板与中支点横隔板。按照“文献[2]”的建议，在跨度小于50 m时，只在支承处设横隔板；在跨度不小于50 m时，在主跨跨中与支点处均设置横隔板。

顶、底板齿块的尺寸拟定应满足局部抗压与千斤顶张拉空间的要求，在条件允许的情况下，优先考虑常规千斤顶的张拉空间要求。

为满足运营期间结构的可达、可检、可修的要求，设计应预留检查孔，且检查孔应设置在受力较小的结构部位，一般在距端横梁附近的底板上设进人孔，中横梁与跨中横隔上均设人孔。

2.2.4预应力钢束的设计

主梁宜采用三向预应力体系。腹板钢束宜采用相对大吨位钢绞线，顶底板钢束采用较小吨位钢绞线。纵向预应力束应避免集中平弯和集中锚固，腹板下弯束锚固位置在梁形心轴下方0.1倍～0.2倍梁高处为宜，弯曲角度以尽量接近45°为宜。顶底板钢束、腹板束应尽量采用较大的平、竖弯半径，常用的平竖弯半径有8 m,10 m等，在有条件下，可以采用更大的半径。在钢束的设计中还应注意以下几点：

1)纵向钢束应尽量布置在箱梁腹板两侧翼缘的有效宽度范围内，靠近腹板布置；

2)压应力储备不宜过大，纵向预应力尚应考虑泊松效应而造成的纵向开裂；

3)在高主拉应力区域重点设置弯束，如主跨1/4和边跨梁端等部位；

4)腹板内缘净距大于4.5 m的箱梁顶板宜设横向预应力，超过6 m且底板较薄梁段宜在底板设置横向预应力或加劲肋，间距按计算确定；

5)顶底板备用孔在施工未用到时不灌浆，作为后期备用束，用量控制在抵抗正负弯矩钢束量的5%～10%；

6)顶板与腹板钢束的布置与张拉锚固避开腹板箍筋的位置，以免截断箍筋不易恢复，影响箱梁抗剪承载力；

7)底板钢束不宜进入腹板内，每批张拉的底板钢束数量应相对较均匀，不宜相差过大，避免集中锚固张拉；

8)所有底板钢束的张拉锚固宜平弯至底板倒角范围内进行。

2.2.5普通钢筋的设计

预应力混凝土连续箱梁普通钢筋的设计是关乎结构整体工作性能与局部裂缝控制的重要方面，其在设计中应注意以下几点：

1)齿板锚固区钢筋的设计：应满足锚固区局部承压、锚下抗劈裂、锚后抗拉、局部弯曲及预应力钢束弯曲处的防崩，具体计算可参见“JTG 3362—2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范”中关于齿块的规定。

2)底板拉筋的设计应能满足承载底板纵向束产生的径向力需要，同时考虑局部管道误差与拉筋锚固传力长度不足的影响，拉筋设计面积宜按下列公式控制：每延米需要面积A为：A≥4×γ0·Np/(R·fsd)。其中，γ0为重要性系数；Np为底板纵向预应力筋的有效预应力；R为底板钢束的曲率半径；fsd为拉筋的设计强度。

3)顶、底板横向钢筋的设计：对设置桥面板横向预应力束的悬浇梁而言，底板一般未设置预应力钢束，故底板横向受力全部由横向钢筋承担，在底板钢束径向力与框架体系传给底板的力综合作用下，应建立横向框架模型计算底板配筋。若顶板钢束仅在上缘设置还应注意顶板下缘的强度验算。

4)鉴于悬浇梁各节段分阶段施工，而成桥后各节段整体受力，各节段对应的受力主筋应采用焊接连接，且焊缝布置应满足构造要求。再者考虑到腹板纵向点筋对结构的抗扭及控制结构斜裂缝宽度均有较大作用，故宜将各节段对应腹板点筋有效连接。

3 精细化设计的优势

上述关于悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁精细化设计的主要内容，意在从源头上尽量降低箱梁产生各类裂缝病害的几率，具体体现在以下几方面：

1)通过对悬臂浇筑预应力连续箱梁总体布置的建议力图优化该类桥的总体技术经济指标与受力状态，为具体设计提供参照。

2)关于腹板厚度的建议主要解决设计过程中腹板厚度选取的困难，防止箱梁因腹板厚度过薄导致抗剪能力不足。通过对顶板与腹板钢束布置避让腹板箍筋的要求，保证箱梁抗剪箍筋能有效发挥抗剪作用。

3)关于箱梁底板拉筋的设计着眼于加强底板抗崩裂能力，强调底板拉筋受力钢筋的作用，避免箱梁在施工过程中可能发生的崩裂。

4)通过对底板钢束锚固位置的合理布置减少常见的底板齿块周边的裂缝病害，保证箱梁耐久性。

4 结语

本文通过对悬臂浇筑预应力混凝土箱梁精细化设计的解析，得到该类桥梁在设计中具体需要注意的主要内容，通过对该类桥总体布置与重要构造细节的总结梳理，力图从设计源头减少因设计考虑不充分导致的各类病害，可为后续同类桥梁的设计提供参考。