探析大跨径预应力混凝土桥梁设计

郑冲

（中亿通达设计咨询集团有限公司重庆分公司，重庆 400000）

0 引言

与普通的混凝土桥梁相比，大跨度预应力混凝土桥梁的优势较为明显，比如桥梁的整体耐久性更高，对钢材的消耗量少，采用拼装式施工方法，提高施工效率与质量。在开展设计工作期间，应加强对设计参数、设计方法的选取，并考虑到环境因素、材料特性对桥梁结构的影响，不断提高大跨度预应力混凝土桥梁的设计水平，确保桥梁工程安全使用。

1 设计的影响因素与方法分析

1.1 影响因素

在开展大跨径预应力混凝土桥梁工程设计工作时，首先要考虑整体结构、参数以及施工现场的环境条件对桥梁设计的影响。其次，要考虑桥梁细部结构的设计优化，比如缩缝的设计、支座设计、上部结构设计以及基础设计、施工流程设计等等，以便于后续施工工作的有序开展。另外，结合大跨度预应力混凝土桥梁的实际特点，选用合理的变截面结构形式，同时把控跨径布置、截面尺寸等主要参数，见表1。

表1 变截形式与尺寸参数

1.2 设计方法与步骤

具体设计过程中，常用到的设计方法为有限元模拟计算与经验法相结合的方式。①对于经验法而言，主要是在桥梁跨径已经确定的情况下，通过对以往桥梁工程的设计案例进行分析，进一步拟定桥梁结构具体尺寸，并设计预应力配束；②结合有限元软件建立桥梁模型，开展模拟计算，验证桥梁结构的承载力是否能够满足规范要求。就当前大跨径预应力混凝土桥梁的设计工作而言，主要按照如下设计步骤进行：首先，结合施工现场条件以及桥位场地情况，合理确定桥梁工程的平面线形以及跨径布置等基本参数；其次，根据以往的设计经验，初步拟定各个结构面的尺寸，并明确预应力配束情况；此外，借助有限元软件，建立相应的模拟与计算模型，对桥梁结构的承载力进行计算，并与规范要求比对，对桥梁结构、尺寸、预应力钢束进行调整。上述工作结束后，重新开展建模、计算、验证，直至桥梁的承载力能满足规范要求。最后，结合计算结果对桥梁结构的预应力配束以及尺寸情况进行优化与调整，使桥梁结构的受力更科学合理。

2 大跨径预应力混凝土桥梁的设计要点研究

2.1 合理开展模拟计算与参数预设

通过合理预设设计参数，严格进行模拟计算，能够有效模拟桥梁实际受力状况，进而提高桥梁设计工作的合理性与安全性。具体设计工作中，应注重以下几点要求：①对于结构尺寸、混凝土类型及其徐变特性、普通钢筋类型及其性能要结合桥梁工程实际情况进行优化设计，合理选择预应力钢筋的材料、线形、张拉方式等参数，同时还要结合施工技术与流程，对桥梁工程施工的全过程作出模拟；②利用有限元软件，对桥梁施工进度进行模拟。常用的进度控制方法有两种：正装以及倒装分析法。考虑到桥梁的跨度相对较大，模拟计算期间应采用正装分析法进行施工进度预测。需要注意的是，为提高预测结果的精确性，要确保准确设定桥梁结构尺寸以及材料特性等参数。同时，要精确计算预应力损失，合理布置预应力钢束线形，以确定悬臂施工期间立模标高。这一过程中，要考虑预拱度、节段尺寸以及所用混凝土的收缩特性等众多因素；③结合正装分析得到的数据，并根据预应力数值，对桥梁预应力进行检测。

2.2 梁锚固横梁设计方法

预应力混凝土桥梁锚固横梁配筋设计方法，国内外均采用有限元实体单元分析与拉压杆法相结合算法。在对锚固横梁配筋设计方法进行分析时，可以直接采用ANSYS应力分析。体外预应力锚固横梁的形状、位置变化等都不相同，其配筋设计可以采用两种形式：①横梁内侧配筋设计；②局部承压设计。在相应的规范中对局部承压设计有明确的规定，在设计时，可以直接使用规范方法。在体外预应力混凝土桥梁锚固横梁配筋设计中，对横梁内侧受拉钢筋的设计方法主要采用拉压杆模型法。首先进行结构的形状、支撑以及荷载等方面实现整体确定。为了方便分析，我们通常将立体的空间三维结构划分为不同的平面进行独立分析。对结构的整体的静力进行分析，由此确定结构支撑反力。对结构进行划分，划分依据为圣维南原理，主要分为B区和D区。B区能够建立起标准桁架模型，可以直接采用拉压杆模型法。D区则需要结合自身实际情况分别建立拉压杆模型对其进行设计。

2.3 加强防震设计

作为大跨径预应力混凝土桥梁设计的重要组成内容，加强桥梁结构抗震设计不仅有助于增强桥梁工程的抗震效果，同时还能防止桥梁结构由于共振而产生的破坏。具体设计工作中，应重点关注以下问题：①要结合施工区域的抗震设防等级、地质环境状况等因素，合理选取桥形、孔性、桥位等参数。尤其是在地震多发地带，应选取性能优异的桥梁结构；②应当优化桥梁工程的整体构造布局，提高桥梁结构设计的合理性，改善桥梁结构的刚度条件，尽可能降低墩柱结构的延性；③在开展上部结构的设计工作时，尽可能采用连续结构，提高结构的整体抗震性能，为车辆提供舒适的驾驶环境。如果采用简支结构，应当加强对伸缩缝数量的控制，减少伸缩缝的数量。同时，还要对桥梁结构底部的钢板进行牢固的焊接，确保支座具有足够的强度。

2.4 细部构造设计

跨中梁的高度应该应用1/40～1/50的主跨跨径，小的跨径取大值；根部梁的高度应该应用主跨径的1/16～1/18，变、中跨应该在0.54～0.58之间比较适宜。底板的最小的厚度为320mm，顶板的最小的厚度为280mm，腹板的最小的厚度为400mm，悬臂端的最小的厚度为200mm。主梁的箱宽最好不要大于桥面全宽的1/2，而且箱梁的长边和短边的比例不要大于4，否则就要设计成为多箱室。箱梁的悬臂的长度不应该大于4m，否则就应该考虑活载在悬臂端部引起的锅底效应。箱梁的底板的下缘顺桥方向一定要在一条平顺的曲线上，变跨的现浇段和中跨的合拢段与悬臂端的最后一个梁端间不应该出现相对的转角。对于主跨跨径小于150mm的可以应用二次抛物线的设置，大于150mm的可以应用1.5～1.8次的抛物线的设置。

2.5 钢筋混凝土设计

一方面，在进行墩身结构的钢筋设计时，主钢筋宜使用墩粗直螺纹连接法（见图1）进行连接，这样一来不仅能加快施工速度，同时还能减少高空作业量，降低施工强度，提高施工过程的安全状况。对于主筋垂直度的控制，宜使用定位架。另一方面，在进行混凝土结构设计时，首先要合理选取低水化热、高强度的混凝土材料，降低桥梁结构的裂缝、变形等问题。此外，在进行索塔工程施工设计期间，由于选取的索塔类型不同，使施工技术的设计存在较大的差异。如果所选用的索塔为混凝土形式，那么施工设计期间应采用逐段施工的方式，并合理设置支撑点，确保塔柱结构不会发生变形问题，提高塔柱的整体性、安全性。对于索塔横梁结构而言，在进行设计施工工作时，也应做好相应的支撑，确保索塔的稳定效果。如果选用钢形式索塔，那么应加强钢结构设计。这一过程中，应准确计算钢结构的受力情况，并结合计算结果在工厂内完成钢索塔的预制，之后运输到施工现场完成拼装。另外，对于桥梁基础工程的设计与施工，应重点加强对承台结构的设计，避免水流对承台结构的施工质量产生不利影响。最后，桥梁上部结构设计期间，要结合大跨径桥梁的预应力状况，适当添加钢管支架以起到辅助受力作用。

图1 墩粗直螺纹连接法

3 结语

本文对大跨径预应力混凝土桥梁的影响因素、设计方法、设计要点等内容做出研究。随着桥梁跨径的不断增大，设计、施工工作的难度逐步增加。在开展设计工作期间，要严格按照设计流程与方法做好参数设定，不断优化设计方案，提高抗震设计水平。需要注意的是，设计期间要加强对温度的控制，积极优化设计细节，提高桥梁设计的安全性与耐久性。