预应力砼连续箱梁桥梁结构设计中的优化措施分析

摘要：在桥梁设计中，把结构的优化方法引入结构设计中，它能够给结构设计的最优性以明确的科学的根据。本文结合具体工程实例，在满足规范要求的前提下，从在箱梁截面尺寸、梁底曲线拟定、腹板拟定和T构悬臂梁段布置等方面对预应力砼连续箱梁桥梁结构设计中的优化过程和措施进行深入探讨和总结。

关键词：连续箱梁；结构设计；优化设计：变截面

中图分类号：U448.21+3

文献标识码：B

文章编号：1008-0422(2011)08-0155-02

1　引言

在桥梁设计中，设计者经常会面对如何选择各构件的断面尺寸等问题，如何将各构件断面尺寸等拟定得合适，如何修正断面的初始尺寸使其具有足够的承载能力，又能节省材料用量，主要靠设计人员的经验及参考已有的设计实例，一个桥梁结构，经修改后的设计是否最优，缺乏理论上的根据，把结构的优化方法引入结构设计中，它能够给结构设计的最优性以明确的科学的根据。笔者认为，可以从以下几个方面着手采取措施进行结构优化：

1.1合理布置桥跨。预应力砼连续梁式桥，由于其连续变形的特点，边跨与中跨之比是否合适直接影响到结构的受力合理性。若边跨与中跨之比太大，边跨结构的纵向刚度偏小，与中跨结构的刚度不匹配，在恒载与活载作用下，边跨会出现较大的主拉应力。同时，若边跨与中跨之比过小，会使中跨跨中弯矩过大，而边跨支点可能会出现向上的负反力。

1.2合理确定腹板、顶板及底板厚度。腹板的最小厚度首先要满足构造需要，并最终取决于受力要求。美国和欧洲规范也只给出预应力管道间的最小净距、保护层厚度，未明确腹板的最小厚度。目前，对于中等以上跨径的预应力砼梁式桥，随着跨径的不同和构造要求、受力需要，腹板的厚度一般为35～60cm。在连续梁桥中，对于底板，其厚度随负弯矩的增大而逐渐加厚至根部，根部底板厚度一般为根部梁高的1／10～1／12；跨中底板厚度一般为20～25cm，以满足跨中正负弯矩变化及板内配置预应力钢筋和普通钢筋的要求。对于顶板，其厚度既要满足桥面横向弯矩的要求又要满足布置纵、横向预应力钢筋的要求。

下面笔者结合具体实例，对预应力砼连续箱梁桥梁结构设计中的优化过程及措施进行如下分析探讨。

2　工程概况

某主桥为三跨一联预应力砼变截面连续箱梁，由独立的上下行两幅桥组成。为更好地贴合现状河岸线，降低水中墩对原有河道的不良影响，同时亦为满足通航净空的要求，主桥左右两幅桥采用边跨反对称的布跨方式。左幅桥跨径布置为(108+166+95)m，右幅桥跨径布置为(95+166+108)m，见图1。主桥桥面全宽33m，中间设2m的中央分隔带。上部结构由两个独立的单箱单室截面构成，两箱梁中心距17，5m，主梁采用C60砼，箱梁横断面图见图2。

3　预应力砼连续箱梁桥梁结构设计及优化措施

由于主桥跨径较大，为增加桥梁整体刚度。并使各项应力满足规范要求，在箱梁截面尺寸、梁底曲线拟定、腹板厚度、顶板、底板厚度拟定和T构悬臂梁段布置等问题上作了对比分析。通过多次试算，在满足规范要求的前提下，寻求各项指标的较优组合。

3.1箱梁截面尺寸

箱梁采用直腹板，箱梁顶板宽15.5m。底板宽8m，两侧悬臂段各长3.75m。悬臂端部厚度16cm，悬臂根部厚度65cm。根据以往的工程经验，变截面连续梁桥支点梁高一般采用主跨跨径的(1／15-1／20)，跨中梁高采用主跨跨径的(1／30-1／50)。本桥跨中和边跨直线段箱梁梁高均采用3.8m，为主跨跨径的1／43.7。支点梁高采用9.0m(主跨跨径的1／18.4)、9.5m(主跨跨径的1／17.5)和10.0m(主跨跨径的1／16.6)进行比较。梁底曲线拟用二次抛物线，比较结果见表1。

由表1可知，在跨中梁高一定的条件下，随着支点梁高的增大，跨中截面弯矩和挠度减小，支点截面的砼最大压应力减小。但是，支点截面采用9m梁高的方案导致砼的压应力超限，不满足规范要求。支点梁高由9.5m变化到10m，上述指标的提高很小，但是材料用量增加较多。在满足桥下通航的条件下，增大支点截面梁高导致坡长的加长或坡度的增大，前者势必进一步增加工程造价。本桥的侧引桥受规划和平面线型所限，不宜增大纵坡。因此，在满足规范要求的前提下，综合考虑了经济性和行车舒适性，支点梁高采用9.5m进行后续设计。

3.2梁底曲线拟定

变截面梁的梁底变化曲线可采用圆弧线、抛物线或折线等。本设计拟用抛物线作为梁底曲线，通过采用不同形式的抛物线指数，分析其对结构的影响。比较结果见表2。

由表2可知，梁底抛物线指数由1.6变化到2.0，跨中弯矩变化不大，跨中挠度和支点截面上缘应力受影响较大。随着梁底抛物线指数的增大，跨中挠度变大，但都在规范容许的范围内。指数在1.6～1.8之间时，支点上缘出现拉应力，不满足本桥安全预应力设计的要求。

3.3腹板厚度拟定

箱梁腹板的主要作用是承受结构的弯曲剪应力与扭转剪应力所引起的主拉应力。腹板的最小厚度应满足剪切极限强度的要求，也应满足钢束管道的布置和砼浇注的要求。由于墩顶预应力钢束竖弯锚固在腹板上，还应考虑满足锚下局部应力的要求，设计中比较了不同的腹板厚度方案，结果见表3。

由表3可知，三种腹板厚度方案对支点截面弯矩影响不大，不控制其设计。但方案三(50-70-90)cm导致支点截面上缘出现拉应力，不满足要求。方案一(50-70)cm和方案二(50-70-80)cm导致的截面上缘应力均在规范容许范围内。综合考虑主墩根部附近腹板抗剪的需要和预应力钢束锚固的要求，设计中采用方案二。

3.4顶板、底板厚度拟定

箱型截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位，确定箱梁顶板厚度主要考虑两个因素：桥面板横向弯矩的受力要求和布置纵向预应力束、横向预应力束的构造要求。前者与箱梁腹板的间距及集中活载大小有关。

鉴于本桥箱梁断面的腹板中心距最大可达7m、顶板采用型号较大的预应力钢束以及顶板横向预应力钢束的线形要求，顶板厚度采用28cm。连续梁跨中区段，截面主要承受正弯矩，对预应力砼连续梁，底板中需配置一定数量的预应力束筋与普通钢筋。当采用悬臂施工方法时，梁的下缘特别是靠近桥墩的截面将承受很大的压应力，箱型截面的底板应提供足够大的承压面积。此外，底板除承受自身荷载外，还承受一定的施工荷载。用悬臂法施工箱梁时，底板还承受挂篮底模梁后吊点的反力。设计时对前述因素予以综合考虑，跨中底板厚度采用28cm，按二次抛物线的规律加厚至根部截面

的110cm。

3.5T构悬臂梁段布置

考虑到本桥跨径较大，箱梁截面面积也较大，为使顶板预应力钢束布置尽量靠近腹板并充分利用悬臂梗托的空间、减少顶板钢束的束数。因此设计时考虑通过两个途径来解决此问题。一是采用较大型号的钢束从而减少通过同一截面的钢束束数，二是通过增加梁段长度未减少“T构”悬臂段的个数，从而减少挂篮施工阶段顶板预应力钢束的对数。

第一种“T构”悬臂梁段布置方式：四个“T构”的悬臂各有21对梁段。墩顶截面布置了66束顶板预应力钢束，对称布置于箱梁顶板梗托处。每束顶板束采用21φ515.2mm的钢绞线；28束腹板预应力钢束对称布置于箱梁两侧腹板，每束腹板束采用21φ515.2mm的钢绞线。

第二种“T构”悬臂梁段布置方式：四个“T构”的悬臂各有19对梁段。墩顶截面布置了56束顶板预应力钢束，对称布置于箱梁顶板梗托处，通过⑩梁段的T1-T10束采用27φ515.2mm的钢绞线。其余顶板束采用21φ515.2mm的钢绞线；

24束腹板预应力钢束对称布置于箱梁两侧腹板，每束腹板束采用27φ515.2mm的钢绞线。表4给出两种不同“T构”悬臂梁段布置方式的结构计算结果。图3给出了在短期荷载效应组合工况下，结构上缘、下缘最小正应力(以截面受压为正，受拉为负)的计算结果。

从表4的计算结果和图3的应力图形对比可得：尽管两种悬臂梁段划分方式通过墩顶截面的预应力钢绞线丝数接近，采用第一种“T构”悬臂梁段布置方式较采用第二种“T构”悬臂梁段布置方式的结构应力变化平缓。但是，对于大跨度预应力砼连续梁，在有限的箱梁截面里布置过多的预应力钢束也存在诸多不足：

首先，顶板预应力束并不能集中布置在腹板两侧的梗托加厚处。这样容易造成在张拉预应力钢束时顶板和悬臂较薄处砼开裂。其次，顶板预应力钢束

布置距离腹板太远也不利于通过腹板传力。再次，在同一截面内布置过多预应力束使得截面砼有所削弱，施工时也难以较好地保证箱梁模板内预应力管道的空隙处砼浇注的有效性。综合以上分析，在各种应力状态满足设计要求的情况下选用第二种“T构”悬臂梁段布置方式。

4　结语

综上所述，在120～170m跨度范围内，预应力连续箱梁桥梁以其造价低廉、施工方便等优点而具有优势，已在现代公路桥梁占有愈未愈大的比重。在预应力连续箱梁桥梁结构设计中应结合实际工程情况，在桥宽、跨径等条件不变的情况下，利用桥梁结构分析程序和设计常量的取定，对桥梁上部结构进行优化设计，从而实现较好经济性上的科学合理的设计目的。

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