中小跨径预应力连续箱梁设计

中小跨径预应力连续箱梁设计

（辽宁省交通规划设计院，沈阳110005）

摘要：对中小跨径预应力连续箱梁设计从方案选用、构造特点、钢束配置、结构计算、普通钢筋配置等方面进行简要的分析和总结

关键词：中小跨径 预应力连续箱梁 设计

近年来我国交通基础设施建设飞速发展，新建桥梁不断增多，预应力连续箱梁以其造型简洁美观、结构刚度大、伸缩缝少、行车平顺性好、抗震能力强等特点，成为桥梁建设中的主要桥型，而跨径在20~50米的中小跨径居多。本文针对中小跨径预应力连续箱梁设计中的特点进行分析，总结设计中的特点及注意事项。

一．方案选用：

简支梁桥因其结构特点决定其跨径一般不超过30米，否则结构尺寸过大而不经济，目前在我国简支梁桥中占主导的空心板结构基本上都已限制在20米以内，国内已很少采用20米以上的空心板结构，20米以上中小跨径多采用连续箱梁、小箱梁（多片梁）、T梁等型式，而小箱梁及T梁一般采用先简支后结构连续型式，但存在梁片数多、有体系转换、适应线型能力差等缺点，而连续箱梁采用整体浇注，造型美观，结构受力合理，能很好适应线形，随着我国经济实力不断的提高，桥梁设计理念逐渐由强调经济性转向强调行车舒适性、美观性转变，预应力连续箱梁已经逐渐成为中小跨经桥梁设计方案的首选。

城市桥梁及对桥型美观要求较高的中小跨径桥梁宜选用预应力连续箱梁。

曲线半径较小（特别是R<250米以下）的中小跨径桥梁宜选用预应力连续箱梁。

当桥面横坡大于等于5%、合成坡大于等于6%时应采用现浇连续结构。

二．构造特点：

跨径布置：等截面连续箱梁可选用等跨及不等跨布置，长桥及顶推法施工的桥梁多采用等跨布置，当桥孔布置边孔如与中孔等跨则桥跨浪费较多时，可做成边跨与中跨不等的形式，一般边跨与中跨比在0.7~1.0左右，若边跨与中跨比过小，会导致边支点反力偏小甚至负反力，设计中一定要注意。变截面连续箱梁一般都采用边跨与中跨不等跨形式，边跨与中跨比在0.6~0.8左右。

中小跨径预应力连续箱梁基本上都采用等截面形式，在一些对景观要求较高的桥梁（如跨线桥），也有采用变截面的形式，但与桥下被交道路的交角不宜过大（正交为宜），否则在一定视觉范围内，变截面形式会起负面效果，箱梁截面根据桥面宽度一般采用单箱单室、单箱多室、多箱单室、多箱多室的截面形式，目前在公路及城市桥梁中应用较多的是单箱单室（桥宽<18米）及单箱双室(桥宽<25米)，单箱宽一般不宜超过10米，否则应设为多箱，等截面连续箱梁可采用直腹板或斜腹板形式，而变截面连续箱梁一般都采用直腹板形式。

等截面连续箱梁的高跨比一般1/15~1/25，由于新规范相对与老规范考虑了有效宽度影响、汽车荷载及度梯度效应增大等不利影响，目前设计中梁高及其他尺寸相对以前有所提高，高跨比多采用1/15～1/20，变截面连续箱梁跨中截面高跨比一般1/25~ 1/40，支点截面高跨比1/15～1/25，但50米以下中小跨径连续箱梁如采用变截面形式，由于受到最小梁高限制，跨中及支点处的高跨比普遍偏大，笔者认为可以接近或超过上限，变截面

连续箱梁底板一般采用圆弧线或二次抛物线形式变化。考虑箱梁内模板的构造要求，连续箱梁的最小梁高不宜低于1.3m。

腹板及厚度：跨中腹板厚主要由通长钢束及腹板内各类普通钢筋的构造要求决定；支点处腹板厚应首先满足截面抗剪要求，除此之外尚应满足构造上的要求。中小跨径连续箱梁跨中腹板厚度一般取40～60cm，支点腹板厚度一般取60～80cm，腹板在支点与跨中间设置L/8~L/5m过渡段。

顶底板厚度：箱梁顶、底板中部厚度不应小于箱梁净跨径的1/30，且不应小于200mm；同时其尺寸应满足预应力钢筋及各类普通钢筋的保护层要求；在满足计算和不配置钢束的前提下不宜大于25cm。

箱梁悬臂长度：箱梁悬臂长度应结合箱梁总宽及箱室布置数量确定，一般中小跨径连续箱梁不宜大于3米，悬臂端部厚20cm，箱梁翼缘悬臂根部厚度可取1/5～1/10的悬臂长度，一般厚35～50cm，悬臂长度大于2.5米应在箱梁顶板设置桥面板横向预应力。

横隔梁：箱梁在各墩台支点处均应设置横梁，内半径小于240m的弯箱梁应设置跨间横隔板，其间距对于钢筋混凝土连续箱梁不应大于10m，对于预应力箱梁需经结构分析确定。箱梁边支点横梁厚度一般取0.8～1.2m，中支点横梁的厚度需根据是否独柱墩单支座、支座的具体位置计算确定，应不小于1.2m，并应满足相应构造要求。 腹板与横隔梁相交处应设置不小于20×20cm的加腋构造。

三．配束及结构计算：

预应力连续箱梁配置钢束一般分为纵向钢束、竖向钢束、横向钢束三种，中小跨径预

应力连续箱梁一般只配置纵向钢束，竖向钢束主要是提高截面抗剪能力，改善支点主应力，一般在大跨径悬浇梁配置。横向钢束主要在箱梁悬臂较大（大于2.5米）时配置，增加悬臂板抗弯能力。本篇主要探讨的是纵向钢束配置。

连续箱梁钢束配置时应满足《桥规》（JTG D62-2004）构造要求，此外尚应考虑以下原则

1．钢束布置应考虑材料经济指标的先进性，与桥梁体系、构造尺寸、施工方法的选择有关。

2．钢束布置要考虑施工方便，不能任意切断钢束，导致结构中过多的锚具。

3．钢束的布置应避免使用多次反向曲率的连续束，这会引起很大的摩阻损失，降低预应力效益。

4．应选择适当的钢束型号与锚具形式，避免造成因钢束与锚具的选择不当而使结构尺寸加大，单根钢束选择过小，造成总钢束过多，构造尺寸限制布置时则要求增大截面尺寸，单根钢束选择过大，会导致结构受力过于集中而不利。

5．钢束布置既要符合结构受力要求，又要注意在超静定结构体系中避免引起过大的结构次内力。

（一）．配束：预应力连续箱的钢束布置形式，与桥梁结构体系、受力情况、构造形式、施工方法都有密切联系，其中施工方法对钢束布置形式影响最大，不同的施工方法，施工阶段的受力状态有很大差别。

1．满堂支架整体现浇施工：此种施工方法是中小跨径中应用最广泛的形式，不存在体系转换，配束较简单，一般采用连续曲线束布置（如图1），布置原则是按内力包络图布置正负弯矩钢束，在钢束跨中尽量靠近底板底面，在支点尽量靠近顶板顶面，以求获得最大的偏心距而发挥钢束最大效能，为防止中间支点处因偏心距较大而导致梁下缘开裂，通常在梁下缘布置几束直线通长束。当只有支点控制而跨中不控制设计时，有时也将部分在墩顶通过的钢束通长形成上缘直线通长束，对于4跨以上的桥梁，一般各中支点内力值不同，有时相差较大，各中支点断面钢束布置也不同，跨中到支点断面过渡区，总的钢束数量不变，需相应减少钢束距中性轴距离，钢束必须起弯，从中性轴一侧过渡到另一侧。在靠近端部支点处，由于外荷载的弯矩逐渐趋于零，钢束作用点则逐渐靠近中性轴，钢束应横桥向对称弯起，沿梁端面均匀布置。

钢束布置宜采用多束、小束的原则，在所需钢束总束数相同的情况下，多布置几种钢束形式，每根钢束采用较小的型号（不宜过小），确定钢束个数时应考虑梁端断面能否布置的下，否则应将在梁端锚固不下的钢束在梁跨中间某个位置弯起锚固，但布束时尽量避免跨间锚固，因为跨间锚固需开槽，且对应力分布不利，施工上也较麻烦。多束、小束布置可以方便计算调束，也使梁端面应力分布更均匀。

钢束在墩顶附近由梁下缘上弯至梁上缘，不同型号钢束宜在墩顶附近分散布置，交替上弯，以利于增加墩顶附近截面抵抗剪力的能力。

满堂支架整体现浇预应力连续箱梁联长不宜过长，一般控制在150米以内，以避免一次张拉过长的钢束引起应力损失较大，否则应采取其他施工工艺，钢束设置连接器，分段

张拉。

2．悬臂浇注施工：此种施工方法在中小跨径的连续箱梁中极少使用，偶尔在桥下没有搭设满堂支架或不允许阻断桥下被交道路通行的条件下使用。

悬臂浇注箱梁一般为变高度截面，一般从墩顶开始向左右对称悬臂施工，为了能支撑梁体自重和施工荷载，需在施工时预加应力，在体系转换时再张拉正弯矩钢束并补充其他在使用阶段所需的钢束（后期钢束），钢束在截面上应对称布置，并净量安排在箱梁范围内，钢束较多可分层布置，一般先锚固下层钢束，后锚固上层钢束，钢束分有直束和弯束，弯束均通过腹板下弯锚固。非腹板位置钢束需进入腹板弯曲时，首先平弯至腹板内，再在腹板平面竖弯。

中小跨径连续箱梁还有逐孔浇注施工（移动模架法）、顶推法等施工方法，本篇不作讨论。

（二）．预应力钢束数量的估算

预应力钢筋数量的估算，一般都是先估算预应力钢束的总截面积，然后再根据每个钢束的面积计算所需钢束数量。

预应力钢束面积的估算一般采用两种方法：

1．按承载能力极限状态进行估算出需要普通钢筋的面积，再根据普通钢筋与预应力钢束抗拉强度比值折算成钢束面积。

2．按施工阶段和使用阶段构件上下缘混凝土应力的限制值进行估算。

除此之外，还可根据钢束的经济指标来估算，钢束经济指标a为：a=G/(L*B)

G------钢束总重量 （Kg）

L-------计算总桥长 （m）

B-------箱梁顶宽 （m）

根据以往的设计经验，一般a值控制在25～30（按老桥规在20～25）之间，设计者可根据拟定的结构尺寸选取a值计算出钢束总重，再根据拟定的钢束型号确定钢束数量，此种方法在实际设计中较为方便快捷，同时也较为准确。

（三）结构计算注意事项

中小跨径连续箱梁内力分析根据模型简化形式分为平面杆系分析及空间分析两种，平面杆系分析一般在直线桥梁或半径较大的曲线桥梁中采用，加拿大安大略省公路桥梁设计规范中采用L2/BR<1.0（L为跨径，B为半桥宽，R为桥梁轴线半径）判别是否可以按直线桥梁计算的条件，否则应视为弯梁，按空间分析方法计算，大多数中小跨径连续箱梁简化为平面杆系分析。在实际桥梁设计中，多采用《桥梁博士》、《迈达斯》等结构内力分析软件进行设计计算。

结构内力计算包括永久荷载内力计算及可变荷载内力计算，永久荷载主要考虑箱梁自重、桥面系自重、收缩徐变、基础变位影响，可变荷载内力主要考虑汽车荷载、人群荷载、温度梯度等影响。

箱梁自重计算中对于现浇结构一般考虑1.04的自重系数，收缩徐变按成桥3650天考虑，基础变位根据地质情况确定各墩可能的沉降值，由程序自动计算最不利组合。

对于简化为平面杆系进行计算时，汽车荷载横向分布系数应考虑汽车荷载的偏载影响，目前规范中未对偏载影响作出规定，一般单车道考虑1.15的偏载系数，多车道叠加并考虑折减。按空间分析计算则不用单独考虑汽车偏载影响。

温度梯度对于中小跨径结构内力影响很大，以27+36+36+27ms四跨连续箱为例（桥面净宽11.25m），正温度梯度在1号墩顶上缘产生5.4Mpa的压应力，负温度梯度在墩顶下缘产生2.55 Mpa的拉应力，计算中一定注意，根据相应的桥面铺装厚度计算温度梯度。

新《桥规》中相对与老《桥规》明确提出了必须考虑箱梁的有效宽度影响，新《桥规》中对于ρf及ρs仅给出了曲线图，查用不很方便，在《钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理》（张竖仁等编写）中给出了ρf及ρs的回归方程。从大量的计算中表明，连续箱梁在墩顶处截面有效宽度折减很大，墩顶顶底面有效宽度最多可折减40～60％，跨中顶底板有效宽度最多可折减10-～20％截面导致截面应力控制较老《桥规》困难，墩顶应力控制应考虑弯矩削峰作用进行折减。

计算中应考虑普通钢筋对截面应力的影响。

预应力连续箱梁可按全预应力构件设计，也可按部分预应力A类构件设计，进年来的

设计趋势是由部分预应力A类构件向全预应力构件发展，考虑到与老《桥规》相比设计条件更为苛刻，而截面应力控制却更为严格，设计者在结构尺寸的拟定及钢束数量估算时应较以往有所提高。

预应力混凝土连续箱梁在支点处承受较大的弯矩及剪力，支点处横隔梁的配筋需根据计算确定，横隔梁的计算目前尚无统一的计算模式，横隔梁计算关键在横载及活载的加载方式上，加载方式的不同对内力分析结果影响较大 ，目前较为普遍的加载方式有：

方法1．将纵向结构内力计算中的计算支点恒载反力作为均布荷载加载到横隔梁全宽范围内， 活载反力按集中荷载力布置在计算最不利位置（由计算程序自动布置）。

方法2．作为方法1的改进，将纵向结构内力计算中的计算支点恒载反力作为均布荷载加载到横隔梁有效宽度范围内，活载加载方式不变。

方法3．将纵向结构内力计算中的计算支点的总支反力分成均布荷载及集中力两部分加载到横隔梁上，均布荷载的总重量可取B1+B2长度范围内桥纵向恒载重量(B1为横隔梁宽度，B2为桥宽)，分布宽度取箱梁有效宽度。计算支点的总支反力减去均布荷载总重量作为集中荷载均分给每个腹板。

预应力储备：由于理论计算模式和计算结果往往与工程实际情况存在差异，加上一些在设计时难以计入的因素，因此在设计过程中，有必要考虑结构各个截面的应力要有一定的安全储备，即对使用荷载作用下截面的正应力和混凝土主拉应力，提供一定的应力储备，以便在设计上带来可靠保证。

四．普通钢筋设置

根据以往设计经验，预应力连续箱梁（纵桥向）一般由正常使用状态截面应力控制设计，普通钢筋仅按构造配置即可，腹板箍筋有时需按计算配置。一般截面顺桥向及横桥向上下缘均配置ф12～ф16的钢筋，间距10～15cm，腹板侧面配置顺桥向ф10～ф12的防裂筋，间距15～20cm，腹板箍筋肢数及间距根据计算取用。横隔梁钢筋一般配置较多，且直径较大，布置时注意避免与箱梁纵向钢筋及横、纵向钢束冲突。

普通钢筋虽然以构造配筋为主，但设计时仍要引起足够的重视，合理的配置普通钢筋不仅能方便施工，同时也能改善结构受力，减少或避免桥梁在运营期间病害隐患，增强结构耐久性。

五．设计注意事项

为了保证设计质量，设计者在设计中应注意以下几个方面的问题

1． 桥梁跨径布置和箱梁截面尺寸拟定

2． 重视温度梯度产生的应力，特别是中小跨径连续梁桥。

3． 重视箱梁结构非预应力钢筋的配置

4． 纵向预应力布束方案与预应力储备

六．结语

中小跨径预应力混凝土连续梁桥目前在结构设计、施工工艺上都已较为成熟，并且不断发展完善，在桥梁建设中也更加应用普遍。通过广大设计人员在工作中不断总结，改进

设计，循序渐进，勇于创新，相信会有更多的桥梁精品涌现出来，使人们的出行更加方便快捷。

参考文献

[1]范立础.预应力混凝土连续梁桥.北京：人民交通出版社，1988

[2]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.2004