预应力混凝土连续梁桥设计与结构验算分析

文/张铁强

1 前言

由于桥位所处位置的特殊性，城市桥梁的设计准则与一般公路桥梁有所不同，除了要考虑桥梁本身结构要求外，还应满足运营使用、交通开发和城市发展等要求，按照实用、安全、经济和美观原则设计[1]。桥梁的设计原则：实用，并且有足够的载荷能力，以保证行驶顺畅、舒适和安全；航运交通要道上的桥梁应保证通航要求；安全，未来桥梁设计不断向人文发展，舒适安全是一切生产的前提，既要控制桥梁纵横震动振幅，也要避免汽车行驶振动与冲击；经济，其评价标准包括工程造价低、工期短、效率高、维护便捷等几个方面；美观，桥梁应尽量美观，与周围环境和谐，提升美学价值，重视环境保护和桥梁的建筑艺术[2]。

2 桥跨结构设计

2.1 桥型布置及主梁设计

本文案例桥梁设计总长度为220m，适用于大跨度桥梁的连续梁桥型式，断面形式选用箱形截面。桥梁体系为分离的两幅桥，单幅桥主梁箱形截面沿纵向二次抛物线变化，桥面总宽均为29m，双向六车道通车，选用三跨连续箱型连续梁桥作为最终的设计方案[3]。

2.1.1 孔径布置：60m+100m+60m，全长220m，边跨约为中跨的0.6 倍。

2.1.2 结构构造：从预应力混凝土桥梁的受力特点来分析，连续梁的立面宜采用变截面布置。根据已建成桥梁的资料分析，支点梁高取H=6m，中跨的跨中梁高取h=2.5m。为方便计算与施工，边跨的跨中梁高采用与中跨相同的值。

2.1.3 桥墩及基础：经地质调查，柱墩选用柱式，其广泛应用于公路桥梁、城市桥梁、立交桥和中小跨径铁路桥梁中，因其质量轻、节省材料的特点取胜于其他桥梁。此外，桥墩采用双柱墩，柱直径1.6m，桥墩基础采用直径1.8m、长度20m 的钻孔灌注桩[4]。

2.1.4 施工方案：结构施工采用整体支架现浇筑的方法，即在支架上安装模板，绑扎安装钢筋骨架，预留孔，现场浇筑箱梁混凝土，施加预应力[5]。

2.2 主要材料及材料性能

桥梁设计应满足相关的关键技术标准，除了考虑整体的基准年限、荷载、行车速度，还需考虑桥面的空间高宽和纵横坡度以及桥下通航等技术指标，本桥设计关键技术指标要求如表1 所示。

表1 预应力钢束材料属性表格

3 数值建模与内力分析

3.1 计算模型

运用有限元方法对连续梁桥梁进行主梁结构计算，是桥梁配筋及验算的重要手段。试将全桥划分为70 个有限单元，其中节点设置79 个，边界条件数8 个。施工阶段共设置47 个阶段，施工步骤如下：首先安装0#块主梁，持续时间为10 天；13 个标准段依次进行挂篮、湿重、安装等施工阶段，持续时间各10 天；挂篮和安装边跨现浇段，持续时间各10 天；边跨合拢段安装阶段的持续时间为14 天，边跨合拢体系转换阶段的持续时间为14 天；边跨合拢后再进行中跨合拢，中跨合拢阶段持续14 天；最后，再设置二期恒载持荷阶段的持续时间10 天以及收缩徐变阶段的持续时间3650天[6]。

3.2 荷载工况

根据公路桥涵设计通用规范，主梁内力计算其中主梁自重系数取为-1.04，设置荷载工况包括：恒载计算工况和活载计算工况（车道荷载，未考虑人群荷载），整体升温和整体降温、梁截面正温度梯度和负温度梯度，徐变收缩计算中构件理论厚度由程序自动计算，支座沉降按照每个地基及基础的最大沉降量计算最不利荷载组合（各组不均匀沉降-10mm）。按此计算模型及荷载条件，并对该桥进行承载能力极限状态基本组合和正常使用极限状态短期效应组合[7]。

3.3 内力计算

根据前文梁跨结构纵向和横向截面的布置，通过有限元模型荷载作用，进行各主梁控制截面永久作用内力和可变荷载作用内力分析。主桥在恒荷载工况下的内力结果如下图1 所示，由此可知墩顶处存在最大负弯矩为3.85×108kN.m，跨中处存在最大中弯矩为1.219×107kN.m[8]。

图1 恒载弯矩图

4 有限元验算结果

根据数值建模计算内力，由此估算预应力钢筋以及各构造钢筋，合理布置并调试预应力钢束以及构造钢筋，再运行PSC 设计、验算主梁结构承载能力。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018），由MIDAS 软件 进 行PSC 验 算，所得结果以图表等形式所示。

4.1 承载极限验算

预应力混凝土梁，在承载能力极限状态下，沿正截面和斜截面均可能被破坏，根据规范进行正截面抗弯、斜截面抗剪、抗扭等承载能力验算。其中，考虑结构重要性系数的作用效应的组合设计最大值均小于等于构件承载力设计值，参照T 形或者工形截面计算箱形截面受弯构件的正截面承载能力。由于未考虑普通钢筋参与受力，故按下列规定计算正截面抗弯承载能力时也不需要考虑普通钢筋的影响，验算结果如图2 所示，正常使用极限与构建应力验算结果如表2所示，满足规范要求[9]。

表2 正常使用极限与构件应力验算结果

图2 正截面抗弯承载能力验算结果图形

4.2 正常使用极限与构件应力验算

5 结语

本文详细介绍了某预应力连续桥梁结构设计。连续主梁结构设计时，将有限元分析与规范相结合，可保证结构内力计算和承载验算的准确性，极大提高工作效率，降低工作难度；同时，还分析了该大跨径连续梁桥的主梁在永久荷载和可变荷载作用下的受力情况，设计验算时应考虑最不利承载力值[10]。本文设计中对于承载能力极限状态结果的验算，可看出跨中存在最大弯矩值，预应力钢筋应从墩顶处开始张拉布置；对于正常使用状态结果中主梁在桥墩两侧最大值，应将其作为验算控制值；对于混凝土压应力验算，预应力钢筋不能布置过多，以防出现混凝土压应力过大的情况。