浅议桥梁预应力钢束设计

摘要: 随着城市建设和公路建设的发展,现场浇筑的预应力混凝土连续箱梁在桥梁工程中得到了广泛地运用。本文结合某实体工程,对预应力混凝土连续箱梁设计中两种主要的预应力钢束的设计方法进行了深入探讨,详细阐述了两种方法的施工方法,并对其工程数量进行了对比,为连续箱梁设计中预应力钢束的设计积累了新的技术资料。

关键词: 桥梁；预应力钢束设计；

1 工程简介

某互通式立交的主线上部结构,除了一部分采用先简支后连续的小箱梁体系外,其余大部分均采用了现场浇筑的等高度预应力混凝土连续箱梁体系。每联连续箱梁的跨数分别为三跨至五跨,单跨跨径均为30m。标准连续箱梁结构的横断面为单箱三室,梁高1. 6m。箱梁顶面总宽17m,底面宽12m,悬臂长2.5m。箱梁顶板均为0.25m厚。墩顶的箱梁腹板厚0.85m,跨中的箱梁腹板厚0. 40m。墩顶的箱梁底板厚0. 60m,跨中的箱梁底板厚0.22m。箱梁腹板和底板的加厚长度均为墩顶中心线向跨中方向7m的范围之内。箱梁上承托高0.25m, 宽0. 60m;下承托高和宽均位0.25m。箱梁在中墩墩顶和边墩墩顶均设置横梁, 中墩墩顶横梁厚2m,边墩墩顶横梁厚1. 5m。连续箱梁均采用支架上现场浇筑的施工方法。

2 预应力钢束设计方法分析

对于在支架上现场浇筑的预应力混凝土连续箱梁进行预应力钢束布置的设计,目前在实际工程中运用中的两种主要的设计方法为：

(1)预应力钢束全部布置在腹板内,每道腹板布置6根(上下三排,每排两根)钢束,每束采用16股或18股的φ15.2钢绞线。由于连续箱梁是逐孔分段浇筑施工的,预应力钢束可以通过连续箱梁分段的施工缝处的连接器连接成为通长钢束。由于腹板通长钢束的总股数较多,在墩顶负弯矩处不设顶板束,跨中正弯矩处也不设底板束。但由于连续箱梁跨中的正弯矩数值较墩顶负弯矩数值小,为此在每跨跨中处均需要提高钢束重心,以保证结构受力安全的要求。

(2)全部预应力钢束均采用每束7股或9股的φ15.2钢绞线。每道腹板布置4根(上下两排,每排两根)通长钢束。由于通长钢束的总股数较少,而连续箱梁在中墩墩顶处的负弯矩数值较大。所以不仅每道腹板在中墩墩顶处负弯矩区域内需要布置与

（a）第一阶段 （b）第二阶段

图1 方法二施工流程示意图

负弯矩数值相应的弯束,而且顶板内还需要布置一定数量的直束,以满足结构抵抗负弯矩的要求。相对负弯矩数值而言,连续箱梁各跨跨中的正弯矩数值要小许多,特别是等跨连续箱梁中跨跨中的正弯矩数值更小。因此,在边跨和中跨底板内布置相对较少一些、甚至于不布置直束,即可满足结构抵抗正弯矩的要求。

图2方法一施工流程示意图

3 施工方法

由于预应力钢束布置的不同,与两种设计方法相应的施工方法,尽管均在支架上进行现场浇筑,但是也随之有所区别。现浇箱梁逐孔施工时,每一次拆卸只允许在一孔内进行,且应确保任何时候箱梁有两孔支撑(应备有三孔支架,其中一孔支架用于周转)。采用方法一时,支架上现场浇筑的连续箱梁采用逐孔分段施工。分段数目为连续箱梁的孔数,分段长度为各孔跨径加0.2倍的下一孔跨径,各段之间设施工缝。因此,在连续箱梁的分段施工阶段,至少要保持两孔以上长度的支架。预应力钢束虽然全部为通长钢束,但是每一分段的箱梁混凝土浇筑完成、并在其强度达到设计要求后,均应张拉一部分预应力钢束。每一分段在施工缝处采用连接器张拉一半数量的钢束后再实施连接,另一半数量的预应力钢束则通过施工缝直接伸入下一分段,并留待在下一分段进行张拉,如此交错张拉和连接直至在连续箱梁梁端锚固为止。施工顺序见图2,具体施工步骤为四个阶段。第一阶段为基础及下部施工;预压支架,压重按节段重1.0倍计;待支架稳定后浇筑梁体混凝土;待混凝土强度达设计值的85%后,单端张拉腹板束,张拉顺序按中层束下层束上层束的原则即先张拉N2束,其次为N3束,最后为N1束;组拼第二孔支架。第二阶段为预压支架,压重按节段重1.0倍计;待支架稳定后浇筑梁体混凝土;待混凝土强度达设计值的85%后,单端张拉腹板束,张拉顺序按中层束 下层束 上层束的原则即先张拉N5束,其次为N6束, 最后为N4束;拆除第一孔支架,组拼第三孔支架。第三阶段为预压支架,压重按节段重1. 0倍;待支架稳定后浇筑梁体混凝土;混凝土强度达设计值的85%后,单端张拉腹板束,张拉顺序按中层束 下层束 上层束的原则即先张拉N8束,其次为N9束,最后为N7束;拆除第二孔支架,组拼第四孔支架。第四阶段为预压支架,压重按节段重1.0倍计;待支架稳定后浇筑梁体混凝土;待凝土强度达设计值的85%后,单端张拉腹板束,张拉顺序按中层束 下层束上层束的原则即先张拉N11束,其次为N12束, 最后为N10束;依次张拉钢束N14、N15、N13,拆除第三孔、第四孔支架。采用方法二时,连续箱梁的预应力钢束根数较多,对于预应力钢束的张拉次序,为了有效地减少预应力损失和保证结构受力安全和合理,首先张拉腹板通长束,然后再按底板束、腹板束和顶板束的顺序进行张拉。于是,需要在桥梁结构全长范围之内一次性地搭设完成全部支架,然后在支架上浇筑全部箱梁混凝土,并在混凝土强度达到设计要求后开始张拉预应力钢束。施工顺序见图1,具体施工步骤为四个阶段。第一阶段为基础及下部施工;在桥梁结构全长范围内搭设满堂支架。第二阶段为预压支架,压重按节段重1.0倍计;待支架稳定后浇筑梁体混凝土;待混凝土强度达设计值的85%后,开始张拉预应力钢束。首先张拉腹板通长束,然后再按底板束、腹板束和顶板束的顺序依次张拉。

4 工程数量

为了更明确地进行比较,本文假设按不同预应力钢束设计方法的连续箱梁的构造尺寸和普通钢筋是完全相同的。两者工程数量的差异仅在与预应力构造相关的部分,包括预应力钢铰线、成套锚具、波纹管以及锚固块(槽)的混凝土和钢筋数量。两种不同方法布置预应力钢束的具体数量。

5 结束语

对现场浇筑的预应力混凝土连续箱梁,尽管各种不同预应力钢束的设计方法都能满足桥梁结构的受力要求,但其施工和造价存在很大差异。文章结合某实体工程,分析了连续箱梁两种不同的预应力钢束设计方法和施工方法,并对其工程数量进行了对比,为连续箱梁设计中预应力钢束的设计提供参考。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。