钢筋混凝土预应力公路桥梁工程的设计分析

张一权

摘 要：在斜拉桥、连续梁等桥梁中采用预应力技术，施工效果良好。为发挥预应力技术的结构优势，钢筋混凝土预应力公路桥梁中前期的设计工作中，应综合多方面因素来优化设计细节。基于此，重点分析钢筋混凝土预应力公路桥梁工程的设计要点，希望对同类型项目具有指导与借鉴意义。

关键词：钢筋混凝土预应力技术；公路桥梁工程；设计要点

中图分类号：U448.35                                  文献标识码：A                            文章编号：2096-6903（2023）04-0019-03

0 引言

钢筋混凝土预应力公路桥梁的抗震性好、稳定性高，主梁变形挠度曲线平缓、桥面伸缩缝小，不仅可增强整体的结构安全性，更能为人们提供更为舒适的通行条件。当前一些公路桥梁的结构复杂，设计难度较大，为克服传统结构设计技术下的劣势，可用高强度钢筋与混凝土并施加一定的外力，来减小各构件承载的应力，降低结构承压力。未来的公路桥梁中行业内需大力推行钢筋混凝土预应力技术，设计人员需从实际情况出发优化细节。

1工程概况

某公路桥梁工程（K33+300.00桥），位于贡山县迪布里（滇藏界）至中缅边界（41号）界桩国边防公路（雄当至迪郎桥段）上，本桥为跨越山沟而设置（山沟有泥石流）。上部结构采用2×30 m后张法预应力混凝土简支T梁；下部结构0#桥台、1#桥台采用桩柱式桥台，桥墩采用双柱式桥墩，桩基础均按摩擦桩设计。全桥的起点桩号为K33+266.97，桥梁的终点桩号K33+333.03，全长66.06 m。

此桥梁工程所处地段的地形地势环境十分复杂，地形切割深，沿线左、右横坡较陡，全线在多处跨越河流与溪沟，且沿线路段的地层条件复杂，基岩地层为上古代生界石炭系（未分）Ca、Cb、Cc变粒岩、大理岩、片岩、石英岩、角闪岩、混合岩地层，第四系覆盖层总体厚度变化幅度较大。

2 桥梁设计的注意事项

综合本工程项目现场的地质地形、水文土质等条件，并考虑结构安全性、抗震性要求，桥梁为单幅结构，只需设置边防撞护栏。上部结构用先简支后连续预应力混凝土T梁，桥跨按照2×30 m布置，0#、2#桥台选择桩柱式桥台，桥墩为桩柱式桥墩，全桥基础均为钻孔灌注桩，桥台后设6 m长的钢筋混凝土搭板。为保障桥梁横坡的合理性，设计人员需参考墩台盖梁和垫石高度来调整，避免桥面横坡过大或者过小。

伸缩缝在桥梁结构中有着重要的作用，本工程项目中通过分析结构细节，最终选用CD-60型伸缩缝，分别布设于0#、2#桥台[1]。全桥采用GYZ450×99 mm型板式橡胶支座和GYZ600×1100 mm型板式橡胶支座，其中，桥台位置和桥墩位置应区分开来，前者用GYZ450×99 mm，后者用GYZ600×110 mm。在设计T形梁的过程中，应引入Midas/Civil 2006空间有限元程序，并按照单梁格展开计算与分析，主梁按部分预应力混凝土A类构件设计。

T型預制梁高2.0 m，上设10 cm厚的现浇桥面混凝土，用10 cm沥青混凝土桥面铺装。T梁间距2.45 m，中梁预制宽1.8 m，翼板间留有0.5m的横向湿接缝，跨中段预制T形梁梁肋宽0.2 m，马蹄宽0.5 m。靠近端部时的梁肋宽从0.2 m渐变为0.5 m，与马蹄宽度一样，渐变长度为3.6 m，梁肋宽由0.5 m渐变到0.6 m，渐变长度为1.2 m，端部1～1.4 m范围内梁肋宽0.6 m。本工程项目中30 m T形梁钢束锚下控制张力如表1所示。

3 钢筋混凝土预应力公路桥梁工程的设计要点

3.1 抗震设计

任何公路桥梁工程项目中都不可忽视抗震设计，对钢筋混凝土预应力公路桥梁工程而言也是如此。设计人员需重视抗震设计，并结合现场的实际情况选择恰当的抗震设计方法，如应考虑桥台墙，以保障其能承受地震时的惯性荷载，符合路桥工程中对梁柱尺寸、延性等提出的标准。设计人员在抗震设计中，必须严格参考有关的设计标准与规范。

通常情况下，当出现地震灾害时，对背墙、翼墙虽有一定的损坏，但损坏较小。桥台地震来临时桥梁系统的动态响应参与度，直接反映的是设计效果与结构配置，为此，抗震设计中设计人员应分析桥梁与桥台系统之间的荷载传递特点，墙土系统的有效刚度、受力情况，桥台墙结构设计要求等，优化局部设计[2]。

公路桥梁在地震荷载影响下，土压力往往对桥台墙有较大的作用力，从静态变化角度分析，其涉及两种状态：动态主动压力状态，墙体与回填的距离较大；被动压力状态，在桥梁惯性荷载下，需采取措施提升结构抗震性。

行业内的相关标准中关于抗震设计有清晰的规定：桥台抗力应力限值为70%，有关设计中需严格遵照此标准展开设计。桥台刚度与被动能力之间为双线性关系，如地震作用下背墙存在平移运动，基本可判定被动压力在高度上为均匀分布的关系。

工程设计中为提高结构抗震性，可采用以桥台为纵向抗震系统的主要结构，使桥台能承受地震位移。如在设计中仅考虑桥台刚度、承载力，则需将桥台位移形成的被动压力区延伸到工作静荷载设计的主动压力区之外，墙体总高度应在10 m以内；当为结构性土墙时，桥台基础前缘到面板背面的距离需超1.2 m，桥台基础覆土厚度不得小于15 cm。

3.2 上部结构设计

3.2.1预制T梁

本桥梁工程的结构设计中，T梁预制为关键步骤，设计人员与施工人员应充分交流与协商，结合现场的实际情况逐一对各片T梁编号，以保障后续安装作业时可对号入座，编号中应包含孔号、梁号。浇筑预制T梁混凝土之前，有关人员需检查各种附属设施的预埋件是否符合要求，当达到相关规定后再行浇筑。预制T梁应采用钢模板，并将各制梁段的断面尺寸控制在合理范围内。梁端2 m范围内的混凝土应为锚下混凝土，因为钢筋网分布密集，施工中应充分振捣，并严格控制施工质量。预应力张拉阶段有关人员应密切监测主梁侧向挠度，严格控制腹板，使腹板在任何位置上的侧弯都在1.5 cm以内[3]。预制T梁横隔板、梁端、梁顶板等与现浇混凝土接触面时，凿毛、冲洗为关键步骤，只有做好这些工作，方可保障新旧混凝土良好的结合效果。为避免施工中出现混凝土裂缝、边棱破损情况，只有当混凝土强度达到设计强度的80%后才可拆模。

整个结构设计中，为避免预制T梁的上拱过大，预制T梁与现浇湿接缝及桥面铺装混凝土的收缩差过大，需合理控制存梁期，一般不得超过60 d。与此同时，为避免同跨、相邻跨预制T梁间存在过大高差，同一跨的预制T梁存梁期应大致一样，并减小相邻跨各预制T梁存梁期的差值。T梁架设安装环节应遵循对称性、均衡性原则，同一孔4片预制梁龄期差应在10 d以内。架设梁体的过程中，应采用可靠的、防止梁体就位后侧倾的措施。T梁正常就位后，需立即安排专人焊接横隔板间的钢筋，并对横隔板、翼板湿接缝实施混凝土浇筑作业。运梁环节两条轨道应布设于相邻两片梁肋上，为此要保持轨道轴线与主梁腹板轴线的重合，嚴禁将两条铁轨直接布置在同一片梁上。T梁运梁、安装就位环节需采取有效的措施，梁体横向倾斜度和纵向倾斜度应分别大于3°、5°。

3.2.2T梁堆放

预制梁堆放阶段，施工人员需合理选定堆放支承位置，确保该位置与构造图中的支承位置一样。如存在现场场地限制需多层堆放时，叠放层数不得超过2层，且上下两侧梁肋轴线需位于同一铅垂线，严禁直接将上层预制梁梁肋置于下层预制梁行车道板位置的情况。与此同时采取恰当的措施，避免出现预制梁的侧倾现象。

3.2.3连续处湿接头混凝土浇筑

连接处湿接头混凝土的浇筑作为十分重要，在此设计环节应注意以下5个方面：①当一联内梁体全部安装就位，且墩顶临时支座、永久支座标高、连续处湿接缝的普通钢筋、管道布置等通过验收后，才可进入混凝土的浇筑环节。②湿接头混凝土的浇筑中也需选择恰当的作业时机，一般要在一天内气温最低的时候实施，各现浇连续接头的浇筑气温，温差不得超过5℃，且需严格遵循浇筑顺序的要求[4]。③永久支座需在设置湿接头底模板之前安装，在此施工环节，湿接头部位的模板强度、刚度应达到要求，且应与预制梁体表面保持紧密贴合，控制好搭接长度，各个缝隙部位应保持严密性。④连接段湿接头内的钢筋与波纹管分布较为密集，利用插入式振捣棒开展相应的施工作业时，可引入振捣铲人工捣固的方式，并综合多方面因素制定最为科学的振捣方案，以指导后续的振捣作业。⑤湿接头混凝土的养护周期应超过14 d，混凝土浇筑、养护阶段，严禁任何人员、车辆碾压混凝土面。

3.2.4T梁现浇桥面混凝土浇筑

现浇桥面混凝土与预制T梁的龄期差不得超过3个月，浇筑作业中有关人员需将环境温度控制在合理范围内，气温条件需在10～30℃范围内。桥面混凝土浇筑作业开始之前，有关人员需预先测定各孔各片裸梁纵横向的控制点标高，以通过这一方式来合理调整铺装厚度。如在施工中需调整铺装厚度，应保障调整后现浇混凝土层跨中附近的最小厚度在5 cm以上，支点附近的最大厚度不超15 cm。当现浇桥面混凝土达到设计强度后，汽车、重型施工机具才可在桥上行走。

3.3 桥梁细部尺寸设计

钢筋混凝土预应力路桥工程项目的设计中，桥梁细部尺寸设计也关乎整体的结构稳定与安全，通过严控细部的各个尺寸，有利于提高整体结构的设计水平。现场施工作业中，尺寸为重点关注的参数，也是施工依据。为此，前期的设计工作中，设计人员应从腹板设计、顶板和底板设计、桥面设计等着手。

3.3.1腹板设计

钢筋混凝土预应力桥梁中，腹板在整个结构体系中的作用突出，承受着来自桥梁截面的剪切应力、主拉应力，在特殊情况下弯矩可抵消剪切作用。因此，总体上分析，腹板承受的剪切应力、主拉应力相对偏小，结构设计中可选择小尺寸腹板设计方法。与此同时，需保障腹板的最小厚度符合配筋布置、混凝土浇筑的切实需求。

本桥梁工程的跨度较大，腹板设计中，若要保障腹板厚度，可从跨中逐步向支点部位加宽，以保障腹板能承受来自支点的剪切力。结合实际情况，选用300～600 mm尺寸的腹板最佳，局部位置处可选用1 m左右的腹板。本工程中，将支座位置的腹板厚度设为0.8 m，跨中腹板厚度设为0.4 m，整体呈二次抛物线变化，以保障腹板能承受剪切应力与主拉应力。

3.3.2顶板和底板设计

底板与顶板在公路桥梁中也有突出的作用，整个结构体系中承受着正弯矩和负弯矩，同时承受着轴向拉荷载和压荷载、竖向荷载压力。因此，设计人员在设计中需合理设置顶板和底板的厚度。底板既需要满足承压标准，还要确保中轴在底板范围以内并留有一定的富余。根据设计经验，其一般为桥梁墩顶梁高的1/12～1/10。底板厚度则需根据桥梁构造情况来确定，如底板位置不需要配置钢筋，底板厚度应保持在15～18 cm之间。若跨中正弯矩相对较大，有配置钢筋的必要性，可在正常的底板厚度基础上适当增大，如在20～25 cm之间[5]。

4 结语

钢筋混凝土预应力公路桥梁为交通领域较为常见的一类项目，为提高此类路桥工程的建设质量，工程企业在项目中应重视设计工作，在各个环节的设计任务中严格执行有关的设计标准与规范，发挥预应力技术的突出优势。

参考文献

[1] 邰再科.公路桥梁预应力混凝土施工技术质量控制分析[J].黑龙江交通科技，2020，315（5）：225+227.

[2] 刘雪山，李建中，张宏杰，等.不同构造下的预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性能试验[J].中国公路学报，2021，34（11）：116-128.

[3] 毛德均，许鹏，陈旭，等.体外预应力加固钢筋混凝土简支梁的设计参数研究[J].公路工程，2021，46（2）：8-14.

[4] 黄志刚，徐志华，邓俊双，等.钢管混凝土系杆拱-连续梁组合桥拱脚结构优化研究[J].公路，2020，65（10）：187-191.

[5] 牟风芹，鞠一帆.公路桥梁工程中预应力混凝土桥梁的检测与加固[J].工程技术研究，2020，5（3）：89-90.