公路工程预应力混凝土桥梁设计分析

谢涛

（中交远洲交通科技集团有限公司，河北 石家庄 050000）

1 工程概况

某大型桥梁工程通长367.5m，设计行车速度为80km/h，桥梁拟采用预应力混凝土箱梁结构建设，但该桥梁所在地气候条件变化无常，夏季经常出现大风现象，其最大风速可以达到20m/s。因此，为保证桥梁的使用安全，要求合理设计预应力混凝土箱梁结构，提升桥梁的使用性能。

2 预应力混凝土桥梁设计

2.1 桥梁设计要点

2.1.2 桥梁下部构造设计

（1）本工程桥梁设计前，经勘测人员对施工现场的调查结果，最终确定桥梁的基础设计为钻孔灌注桩基础结构，桩基础一共设计有136 根，桩长在6～12m不等。不同的地质情况桩基础的长度不同，桩基础的直径设计为1.2m，桩与桩之间的距离控制在1m，钻孔后孔位的偏差不得超出设计要求的3%。

（2）下部构造钻孔灌注桩的施工工艺为：先根据设计位置埋设护筒，护筒作用保护桩基础的稳定性，护筒就位后布置钻机并开始钻孔施工。设计人员应合理控制钻机的转速，避免因钻进速度快而发生安全事故。钻孔结束后依据国家规范标准进行清孔作业，然后下放钢筋笼、灌注混凝土，水下混凝土浇筑时最好一次浇筑完成[1]。

2.1.2 桥梁上部构造设计

（1）下部结构设计完成后开始桥梁上部结构的设计，上部结构的设计内容主要包括桥梁的承台、墩柱、箱梁截面积以及横隔梁等。其中承台、墩柱的设计工作主要是对相互的连接方式、浇筑方式、浇筑的混凝土性能以及承台、墩柱本身的尺寸等进行规划。本次桥梁墩柱、承台混凝土的强度应保持在C35以上，浇筑时应分层浇筑。

（2）桥梁横截面积的设计中，首先要确定梁体横截面的形式，由于本工程桥梁的跨径在50m以上，横截面的形式宜设计为箱型横截面。与其他截面形式相比，箱型横截面的抗扭刚度较大，且顶板、底板的面积宽阔，不仅可以抵抗桥梁的正负弯矩力，还能保障桥梁整体的稳定性。因此，本桥梁的截面形式采用箱型横截面，其梁体顶板的厚度设计为25cm，底板厚度设计为60cm[2]。

（3）横隔梁的主要作用是提高桥梁截面的横向刚度并保证桥梁整体的稳定性。本次桥梁横隔梁主要设计在箱梁与箱梁之间，同时支点的位置也设计有横隔梁，不同位置横隔梁的设计要求不同，对于腹板下方的横隔梁只需配置一些普通钢筋即可。对于其他位置的横隔梁均要设置合理的配筋形式，所有的横隔梁的宽度均设置在300～500mm，针对单箱梁的位置无须设置横隔梁。

2.1.3 施工工艺设计

（1）预应力混凝土桥梁施工工艺的设计中，主要包括桥梁钢筋施工、模板安装、预应力管道安装、混凝土浇筑、预应力张拉、孔道压浆等工序。其中对钢筋施工设计时，设计人员需明确钢筋的性能要求，钢筋接头的位置、数量等，模板设计中要合理地设计模板连接、材料、尺寸等；波纹管的设计主要是确定波纹管的材料、位置，固定方式，波纹管宜使用定位钢筋与腹板的箍筋焊接在一起，以避免出现波纹管下垂、错位的问题，如波纹管位置设计确定后，发现波纹管位置与钢筋位置存在冲突，此时可适当调整钢筋的位置[3]。

（2）预应力桥梁混凝土浇筑工艺的设计中，主要包括对混凝土材料的性能要求，如坍落度、含水率、强度的设计，以及混凝土施工时的相关要求，如混凝土浇筑时振捣棒与模板、预应力管道、钢筋等预埋件的距离应进行设计，以避免振捣过程中造成破坏。此外，设计人员应设计混凝土的养护强度，其设计强度宜满足国家现行规范的要求。

（3）混凝土浇筑后的工作为预应力张拉，张拉过程的设计应遵循《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）规范中的要求。张拉前混凝土的强度需满足设计要求的90%以上，张拉时需明确满足要求的张拉力与伸长量，以便施工人员可以控制张拉效果。桥梁张拉力与伸长量与设计值误差在6%以内即视为合格，张拉后对孔道压浆的施工方法及质量要求进行设计，孔道压浆的时间应在张拉后24h内进行，压浆时的压力宜控制在0.7MPa，压浆后孔道两侧的水泥砂浆均匀连续冒出即视为压浆合格。

2.1.4 桥梁安装设计

本工程桥梁梁体的制作在预制场内完成，然后再运输至施工现场进行安装。因此，在桥梁设计时要对桥梁的安装过程进行设计，梁体的安装设计共分为三步。首先，将梁体从车辆上吊起，起吊时设计采用吊孔穿束的方法，利用起吊机械完成，吊起后保证桥梁稳定的状态下，将其吊放至桥梁支架位置；其次，在桥梁梁体就位后，设计临时支撑装置、钢筋构件与焊接板，对梁体进行固定，以保证桥梁的稳定安全；最后，利用架桥机进行桥梁的架设，架设完成后拆除临时支撑[4]。

2.2 设计中常见问题

2.2.1 结构振动问题

预应力混凝土桥梁设计中经常会遇到结构振动的问题，发生的主要原因是桥梁设计中未对扰动力进行合理控制。在桥梁设计施工完成后，车辆行驶过程中会对桥梁造成动荷载，其动荷载对桥梁的干扰就称之为扰动力。在扰动力的作用下，桥梁结构会不断产生振动问题，而产生的振动问题不仅会对桥梁结构造成疲劳损伤，还会造成桥梁振动变形，从而影响桥梁行车的安全。当扰动力的振动频率与桥梁固有频率重合时，此时就会对桥梁结构造成损伤，且此类损伤会随着时间的增加而进一步扩大，如不能及时处理，很容易导致桥梁结构破坏而引发安全事故。

2.2.2 桥梁上拱问题

（1）预应力混凝土桥梁设计过程中如果没有对桥梁的上拱度进行合理设计，则桥梁设计施工完成后，很容易导致桥梁出现上拱问题，一旦的桥面呈现为波浪形，当车辆高速通过此桥面时，由于桥面的高低不平，极易导致车辆遭受干扰，从而影响人们的行车体验，甚至威胁车内人员的生命安全[5]。

（2）桥梁上拱问题的发生主要是由于车辆与桥梁之间的动力耦合作用。车辆行驶时，由于向前具有一定的速度，此时会对桥梁形成一定的作用力，当长期保持车辆通行，此作用力会慢慢对桥梁造成一定的影响，从而导致桥梁上拱，影响桥梁的行车体验。因此桥梁设计时可以针对桥梁的行车数量，合理地设置上拱度，则可以抵消因车辆与桥梁的耦合作用力，从而避免此类问题的发生。

2.2.3 桥面排水问题

桥梁设计中排水系统至关重要，排水系统主要位于桥面中，可以及时地将桥面的积水排出桥梁，从而避免积水对桥梁结构的侵蚀，但在桥梁设计工作中经常出现排水系统设计不完善的问题，从而导致桥梁结构产生安全隐患，桥梁设计中常见的排水设计问题主要包括3点，具体如下：

（1）排水系统的设计位置不合理，如面层内部设置有排水管道，但设计时排水管道的位置设计不合理，导致积水渗透后无法汇集至排水管道中，从而引发病害[6]；

（2）排水材料设计问题，如采用的排水材料高温稳定性、低温抗裂性不好，在经过夏季、冬季的温度变化后，导致排水管道受损，从而影响排水效果；

（3）桥面设计不合理，桥面排水管道中的积水会通过重力作用向两侧的排水沟汇集，从而将积水排出，但桥面设计时设计的坡度不合理，导致积水难以排出，从而造成排水问题。

2.3 设计注意事项

2.3.1 设计的合理性

（1）本工程预应力混凝土桥梁设计工作中要注意设计方案的合理性，对设计方案的确定，一定是基于对施工现场详细勘察的情况下，明确场地的地质条件、气候问题、水文条件、行车条件后综合确定设计方案，从而保证设计的合理性。此外，设计工作开展时，要注意对每个设计细节的把控，每个细小变化均可以影响桥梁整体结构，因此，设计工作中要严格做好细节的设计。

（2）桥梁设计过程中还应注意做好预应力混凝土桥梁预埋件的设计工作，预应力桥梁中的预埋件主要包括隐蔽的钢筋结构、预应力管道、伸缩缝、支座等，其中在钢筋结构、伸缩缝、支座等预埋件设计中，应明确预埋件的位置、数量、连接方式，保证钢筋结构的稳定性；预应力管道预埋件的设计中，应根据应力大小设计管道的位置、固定方式、管道材料等，同时合理设计预应力管道混凝土浇筑施工的方式，保证预埋件结构的稳定性[7]。

2.3.2 注意参数计算

预应力混凝土桥梁设计工作中会存在大量的参数设计工作，如桥梁结构设计时的预拱度设计值、桥面的设计坡度，桥梁施工时预应力张拉时的控制应力大小、混凝土坍落度的范围、压浆施工时压浆的压力大小等，每个参数的变化都会对桥梁的设计质量造成影响。因此在本工程桥梁设计中应注意做好参数的计算工作，针对参数的计算可以采用正向计算与反向验算2 种方式。正向计算得到的参数可以作为基本的参数依据，反向计算可以验证参数是否合理，通过最终参数的对比，从而确定参数是否合理。

2.3.3 注意温度修正

（1）温度是保证整个桥梁安全稳定运行的重要条件。如桥梁施工时周围的温度变化过大，则很容易导致材料性能发生变化，从而影响施工质量。因此，在桥梁设计阶段就应做好温度的修正工作，明确施工时部分关键工艺的温度要求，一旦温度变化超出设计要求的温度，则可以停止施工，或采取措施将温度误差控制在设计范围内，以保证桥梁的性能。

（2）除温度的修正外，预应力混凝土桥梁的应力设计也十分重要。在应力设计阶段，要充分搜集相关资料，并做好记录与测试，然后根据不同的测试结果判断本工程桥梁应力的设计值，确定应力之后，设计人员还应对应力值进行反复的对比核算，以保证应力的合理，确保桥梁预应力的张拉质量。

2.3.4 加强防震设计

桥梁设计过程中应注意做好桥梁防震性能的设计。增加桥梁的防震性能，不仅可以提升桥梁面对地震自然灾害的能力，同时还能够增加桥梁的抗震性能，避免因桥梁结构振动而引发的问题，针对桥梁的防震设计可根据以下3点进行展开：

（1）桥梁防震设计前期，设计单位可以安排检测人员对周围区域的地质情况进行调研，并对比周围同类工程的防震等级，然后再根据实际的调研结果以及本工程的实际情况合理地选择桥梁的结构形式，设计桥梁的孔径、桥位等相关参数；

（2）桥梁设计过程中可以优化桥梁的整体布局，提升桥梁结构的合理性，从而改善桥梁结构的刚度[8]；

（3）桥面设计时，可以通过增加或减少伸缩缝的数量提升桥梁的整体性能，同时采取措施将桥梁结构底部进行加固，并保证支座的强度，从而增加桥梁的稳定性，提升其防震性能。

2.3.5 加强桥梁耐久性

桥梁建设完成后长期处于外界环境之中，无论刮风、下雨或下雪，均会直接遭受自然环境的侵蚀，同时桥梁常年四季使用，车辆的行车荷载会一直存在，在长期外界环境与行车荷载的作用下，桥梁难免会遭受影响，因此，为保证桥梁的使用寿命，在本工程桥梁设计阶段应注意加强对桥梁耐久性的设计。首先，设计时可以选择高强度的材料或添加剂，增加桥梁材料的耐久性；其次，桥梁设计工作中可以提前对可能遭受的外界环境及行车荷载进行估测，设计时将影响因素全部考虑在内，以增加桥梁的耐久性；最后，合理设计桥梁的施工工艺，保证其施工质量。

3 结语

预应力混凝土桥梁在我国桥梁施工中的应用十分广泛，其设计质量与桥梁后续的使用性能及安全密切相关。因此，为保证预应力混凝土桥梁的使用性能，在设计工作中，设计单位应做好设计控制工作，设计工作中把控每一个关键参数、结构的设计，从而保障预应力混凝土桥梁结构设计的合理性，延长桥梁的使用年限。