简支梁桥设计要点分析

缪国平

（江西赣北公路勘察设计院，江西 九江 332000）

0 引言

对于简支桥梁而言，它属于一种静定结构，简支桥梁的受力模式是通过相邻桥跨实现单独受力的，同时此类桥梁支座变位桥梁产生的受力作用比较小，加上简支桥梁能在各种地质区域适用，故而在桥梁工程建设领域中得到应用。但是在设计的过程中由于简支桥梁结构对于设计参数要求非常高，故而需要明确简支桥梁设计要点，从而给桥梁项目建设奠定基础。

1 简支桥梁主要结构

1.1 桥梁上部结构

简支梁的上部结构一般是桥跨结构，其目的是跨越山川、河流，保持车辆正常通行，同时承受上部车辆作用荷载，并将荷载传输到桥梁下部结构上。因此，提高简支梁结构的安全性和稳定性，是保障交通正常通行的关键性措施，也是推动交通事业发展的关键。

1.2 桥梁下部结构

桥梁下部结构是指基础结构形式，比如桥墩、桥台等。这些部位可以有效地支撑上部结构，还能将桥跨结构受到的荷载传输到其他结构中。桥台结构安装在桥梁两端，除了能够支撑桥跨位置，还可以稳定连接道路和桥梁。桥墩结构通常安装在桥台中间以及桥跨的下部，要结合现场情况确定最佳的桥墩数量，做出合理规划设计。

如果现场条件允许，或者设计方案有要求，可以不设置桥墩。在桥梁的基础结构中，桥梁墩台是目前非常重要的下部连接结构，也是简支梁桥的关键性承载结构，其施工工艺复杂、难度高，并且该结构对于整个桥梁的安全性有直接的影响。

1.3 桥梁支座结构

桥梁支座是必不可少的组成结构，将其布置在桥梁墩台和桥跨之间，将桥跨和桥梁墩台连接起来，还应满足桥跨的位移和转动的要求。除这些结构外，简支梁桥还有伸缩缝、桥头搭板、导流结构等，这些都是保障简支梁桥稳定性、安全性的关键，是提升桥梁质量的核心结构部件。

2 简支桥梁设计的基本要求

2.1 桥梁使用方面

对于桥梁工程来说，其承载性能关系到安全性和稳定性，对提高交通通行安全性有重要的意义。在桥梁使用的过程中，必须满足车辆、行人的通行需要，并根据现场交通条件确定最佳桥面宽度数据信息，还要达到安全、排水效果要求。

2.2 桥梁设计方面

设计人员需要结合实际需要确定设计理念和方法，从而保证简支梁桥的安全。同时，还应确定最佳的材料、设备及工艺，满足桥梁使用标准、现场施工可以顺利进行。在设计之前，要明确具体的设计要求，加强施工进度管理和控制，达到规定标准要求，产生较高的经济效益与社会效益。

2.3 经济方面

在简支梁桥的设计环节，经济方面是不得不考虑的因素。第一，在设计环节，根据现场的实际情况，分析各方面因素，明确经济性指标，通过优化设计方案等措施，将项目建设的成本控制在合理范围内，防止发生超预算的问题。第二，对桥梁施工作业现场的环境展开全面调查，如交通环境、自然环境等要素。分析现场环境，结合实际情况制定出合理的环境保护措施和方案，从而降低噪声污染的影响，实现成本降低。施工单位应制定完善的环境监测方案和体系，落实各项环保处理措施，并且有针对性地采取处理措施，减少桥梁施工环节对交通、自然环境造成的负面影响。

加强经济方面的分析和控制，能提高项目经济效益，但必须在确保质量、安全的前提下进行，才能实现综合效益的提升。

2.4 美观方面

在现代社会高速发展的大背景下，人们生活水平日益提高，经济发展速度加快，对美好的事物有强烈的渴望。在桥梁设计中，简支梁桥梁达到美观性要求，并不是指设计人员要选择夸张、奢华的装饰形式，简单、淳朴的设计更能创造独特的美学感受。在桥梁工程中，美观性就是让桥梁和周边环境有效融合，人们能够感受到韵律性、和谐感，同时还要实现材料、色彩的合理搭配使用，使人产生清爽、舒适的感觉。需要注意的是，追求桥梁的美观性是在保证功能、质量、安全为前提下进行的。

3 工程概况

该桥梁项目是当地的重要跨江工程，采取空心墩设计形式，平均墩高超过50m，面临着大风等恶劣天气的影响。经过综合分析，该桥梁不适宜桥下作业施工，不能安装支架辅助，且墩高较高时，受架设设备不便及结构跨度等方面干扰，使用32m 的简支梁经济性较差。经过设计人员综合分析，确定使用48m 节段预制胶拼装简支箱梁。梁体结构应用单箱、单室等高度预应力混凝土简支箱梁，施工材料为C60 混凝土。按照设计方案的要求，顶宽12.2m，底宽6.2m，梁高4.2m。 跨中截面顶部厚度32cm，底板结构厚度35cm，腹板结构厚度50cm。根据需要，计算分析各项参数，确定底板、腹板厚度，适当增加厚度，并且在支点周边布置预应力结构，保证达到正常使用的标准。

4 设计分析

4.1 预制梁段划分

按照设计人员计算结论，确定简支箱梁跨度尺寸为46.9m。根据支座重量、预应力张拉千斤顶使用空间、造桥机构造尺寸等因素，梁体长度确定为49.1m。预制箱梁结构部分，梁段重量不超过2000kN，还要确保每跨箱梁支座为奇数块，防止存在跨中设置接缝的情况，并对称布置，所以48m 简支梁预制段按照4.8m、4.3m、3.4m 三种规格设计，总计11 个阶段，10 个接缝。

4.2 预应力体系及钢束布置

在箱梁设计中，按照要求布置纵向预应力结构。箱梁的腹板、底板结构在施工中，选择使用直径规格为7Ф～15Ф 大小钢绞线，抗压强度为1860MPa。

4.3 箱梁结构静力分析计算

4.3.1 计算理论

简支箱梁的设计应用MIDAS/Civil 软件模拟分析，按照纵向全预应力设计分析。现场施工中，应按照分段吊梁、永久预应力张拉、二期恒载、10年收缩徐变4 个阶段进行。此次有限元模型如图1 所示。

图1 简支箱梁有限元模型

4.3.2 荷载组合

按照国家标准要求，选择两种荷载组合方式，即主力和主力+附加力两种工况，开展结构性能验算和分析，得出数据分析结论，为后续工作提供指导性作用。

4.3.3 检算结果

主力和主力+附加力两种工况下，MIDAS/Civil有限元模型分析结果如表1 所示。

表1 荷载工况应力总汇表（kN/m）

应力种类荷载组合主力主力+附加力上缘正应力最大12.39 16.0最小4.1 8.3下缘正应力最大12.2 12.6最小4.4 0.9剪应力最大2.5 2.5

5 永久预应力张拉及松吊挂匹配技术研究

5.1 研究概况

节段预制拼装环节中，将吊杆拆除作业前，如果张拉预应力比较小，拆除后极易引发事故，如果张拉预应力比较大，因为架桥机的刚度不如桥梁结构大，预应力张拉施工中，桥梁上拱量相对小，所以容易出现吊杆力无法全部卸载的情况，极易出现结构开裂的问题，对桥梁的耐久性、正常运营带来很大的影响。

悬吊环节中，吊杆受预应力影响，结构受力复杂性较高，拆除吊杆应选择合适时机，并且加强张拉施工顺序控制，这样才能符合工程的要求。技术人员针对48m 阶段拼装简支梁张拉力、吊挂匹配技术进行深入分析，确定如下要求：

第一，拆除还未拆除吊杆时，要严格控制截面上缘应力。因为结构自重是吊杆承担的，如果不分析确定张拉预应力，那么桥梁上拱之后所造成的架桥机卸载自重是通过预应力承担的。这种条件下需要对预应力对桥梁应力影响分析，而后按照要求工艺开展张拉作业，如此才能够将预应力钢绞线持续作用发挥出来。同时，在施工的过程中若结构应力没有能够达到标准要求，则需要明确相应的张拉量参数。此外，在施工环节还需要分析梁体结构上拱所造成的应力，在张拉时需要严格按照施工标准做好截面上缘应力控制，如此才能确定拆除吊杆之前的最大预应力张拉量，确保结构安全性。

第二，吊杆拆除作业后，应确保结构完全达到安全标准。按照张拉工艺顺序逐步进行张拉施工，不需要再了解其支撑性能的要求，简支梁受到自重、预应力同时作用，为保证截面强度性能，还要使下缘没有出现拉应力。该准则的应用目的是了解吊杆拆除前最小预应力束张拉。

5.2 简化计算分析方法

5.2.1 有效预应力计算分析

以设计规范为出发点，综合分析预应力参数，确定每束预应力直接引起的简支梁上缘应力σ和下缘应力σ。

5.2.2 自重作用的上下缘应力分析

计算简支梁自重，再将该自重除以桥梁跨径，即得出近似的均布荷载参数。此次桥梁项目中的自重荷载分布为g=321.26kN/m，然后计算跨中弯矩M 自重=92522.01kN/m。根据上下缘应力标准计算得出上下缘应力分别σ=6072.979kPa、σ=-9568.95kPa（“-”代表下缘受拉）。

5.2.3 准则自重效应分析

因为预应力张拉施工中，桥梁结构的自重是通过架桥机吊杆和张拉钢绞线共同承载的，所以在计算上下缘应力时，还应分析确定张拉预应力过程中，简支梁结构自重产生的影响。目前通用的方法是利用桥梁跨中上拱量和架桥机挠度比值，分析确定简支梁自重是否是通过预应力承载的。

6 简支桥梁设计的要点分析

6.1 计算环节

设计人员在分析设计中，应合理确定桥梁设计方案，分析其可行性参数。首先，按照桥梁正常使用寿命、现场环境确定设计方案，再计算受力条件，得出各个桥梁结构部分的数据信息。其次，技术人员按照桥梁结构尺寸，确定桥梁的车道板、主梁、桥梁制作及基础结构的计算，主要包括刚度和稳定性方面分析，然后通过计算分析的结论反向推定开始假设的桥梁结构尺寸是否合理。如果发现假设的桥梁结构尺寸参数未能通过验证，则要重新确定，并且再次验算分析，以提高数据的准确性。

6.2 常见错误和缺陷

简支桥梁在正常的使用过程中，容易发生蜂窝、空洞、表层脱落等问题，具体分析如下：

一是桥面蜂窝，多数是由于在设计环节钢筋设置的密度过高或者混凝土材料内的粗骨料粒径过大所造成的。二是桥梁空洞，发生原因多数是因为设计环节的钢筋选择不当，或者在施工时振捣不到位，还有可能是漏浆的问题。三是裂缝问题，很多桥梁经过长期的运营都会发生裂缝的问题，一般包含网状裂缝、下缘受拉裂缝、斜向裂缝等，以温度变化、荷载作用形成的裂缝为主。裂缝的形成，一方面是因为混凝土的配合比参数设计不当，另一方面是因为桥梁长期运营中受到外部作用力的持续影响，从而诱发裂缝的危害。四是伸缩缝病害，简支梁的伸缩缝是极为重要的结构，因设计缺陷，导致伸缩缝存在病害问题，极易造成结构端部刚度性能不足，或者锚固部件出现问题。个别设计人员经验不足，设计基础知识掌握不够牢固，没有综合分析各个方面的要素，造成伸缩缝性能不合格，从而引发严重的质量问题。有些桥梁设计方案的缺陷，引发伸缩缝的病害问题，危害桥梁功能，产生的负面作用是巨大的。因此，设计人员针对上述的缺陷问题，规避设计缺陷，提高设计水平，为简支梁桥的正常使用奠定基础。

6.3 加强抗震设计

我国很多地区是地震多发带，所以加强抗震设计是设计人员都应掌握的技能，以提升桥梁使用的稳定性和安全性。不同地区地震发生率不同，地震强度也有差异，应考虑不同地震设计烈度和地质条件，确定最佳方案，而这样也会造成桥梁成本的升高。

桥梁建设中，尽量不要在液化土层区域内建设，且连续梁桥的形式抗震效果明显优于简支桥梁。具体选择何种形式的桥梁，应从工程整体的需要及现场情况综合分析确定，才能提高桥梁的抗震性能和水平。简支桥梁在受到地震作用后，主要发生的病害是以下三个部分：第一，桥梁上部结构损坏，具体表现为错位、滑落等，但结构本身并不会发生较大的伤害，也有可能是上部锚固结构的断裂，最终造成混凝土剥落、开裂等。第二，下部结构损坏，具体表现为主体结构出现断裂、缺损等问题，也有可能是连接部位发生病害问题。第三，桥梁基础发生损坏，具体表现为墩台基础位移、下沉等，会给整个桥梁造成极大的伤害，比如结构错位、滑落等，影响桥梁的正常使用。

桥梁的抗震设计开始前，组织地质勘探专业技术人员进入现场进行详细勘察，了解地质条件，并与当地地震部门保持联系，查阅地震发生情况资料，收集全部资料，才能明确具体的设计理念和要求，提高桥梁的总体水平。

7 结语

在简支梁桥的抗震设计环节，设计人员应积极落实设计选型工作，根据需要计算各个结构模式的优势，编制横向、竖向、桥向的设计方案，从而提高桥梁工程的质量。同时，在简支梁设计环节，还需要深入实际在了解设计标准以及要求基础上，掌握桥梁的荷载参数，这样才能切实提升桥梁设计水平，给桥梁工程项目建设奠定基础。