大跨径预应力砼连续刚构结构设计与计算研究
【摘要】：随着社会经济及施工技术的发展促进了桥梁建设的发展，使各种型式的桥梁不断涌现出来。连续刚构桥以其抗震能力强、跨越能力大、受力性好，且桥型美观、施工便利等优点在桥梁建设中的应用十分广泛。本文在介绍连续刚构桥梁的基础上，结合省道黄标线蕲春清水河至干鱼咀改建工程中蕲河2号大桥的设计，对大跨径预应力砼连续刚构的结构设计和计算要点进行了分析。
【关键字】：大跨径预应力砼桥梁；连续刚构；结构设计；
随着我国经济建设的发展，公路建设也得到了快速的发展，在公路工程项目中，桥梁建设是一个较为重要的部分。在桥梁建设中，桥梁的稳固性、抗震性等各种性能都十分重要，而影响桥梁安全稳定系数的一个重要因素就是结构安全的设计，因此，在设计施工方案时，尤其是在一些大桥的施工建设过程中，需要选择跨越能力大、抗震性强、受力性能好的桥型，以能保证桥梁工程的质量。
一、连续刚构桥梁
刚构桥是一种采用刚结构作为主要承重结构的桥梁，主要的结构形式有门式刚构桥、斜腿刚构桥、T型刚构桥和连续刚构桥。
连续刚构桥是一种有两个以上主墩采用墩梁固结的桥型，桥的结构采用的是预应力砼结构，它是以连续桥梁和T型刚构桥作为基础设计出来的，即具有T型刚构桥桥型美观、避免下部施工困难等的特点，由于保持了上部构造连续梁的属性，还具有跨越能力大、施工简便、造价低、视野开阔等优点，同时还能对水平荷载下结构的受力性能有一定的改善，抗震能力好、结构变形小，具有较好的技术经济性，在我国桥梁建设中有着十分广泛的应用和良好的发展前景。
二、大跨径预应力砼连续刚构结构设计
在桥梁工程中，桥梁的结构设计一般是由美学要求和桥梁所在位置的承载能力来决定。在实际施工过程中，由于大跨径预应力砼连续刚构受力复杂，混凝土的收缩、温度、预应力等各种因素都会对结构产生影响，因此为了避免桥梁出现类似已施工的同类桥梁中出现的底板开裂、桥面裂缝等问题，在连续刚构结构的设计阶段就应当将各种因素考虑在内，尽量使设计科学合理，以省道黄标线蕲春清水河至干鱼咀改建工程中蕲河2号大桥的设计为例，对大跨径预应力砼连续刚构的结构设计和计算中的问题进行探讨分析。
（一）工程概况
1、工程概况
蕲河2号大桥是省道黄标线蕲春清水河至干鱼咀改建工程中位于湖北省蕲春县内的一座大桥，项目区域内的地质构造较为复杂，主要是受淮阳山字型构造控制，并叠加了新华夏构造，区域内的地壳较为稳定，地层分布主要为太古界强、中风化砂岩。
桥址的地表水主要为蕲河河水，沿途汇集河流的排泄及大气降水，水量受季节性影响的控制，具有暴涨暴落的特点。地下水的类型主要为松散沉积物孔隙水，桥址的地表水及地下水对混凝土及混凝土中的钢筋有微腐蚀性。
根据桥型方案设计中经济适用、施工方面、安全等设计原则，综合专家评审的意见，主桥上构为（60+110+60）m变截面预应力混凝土连续刚构，采用悬浇施工，引桥上构采用30m后张法预制预应力混凝土组合箱梁，先简支后结构连续。
2、技术标准
（1）道路等级：一级公路
（2）桥梁汽车荷载标准：公路-Ⅰ级
（3）设计车速：80km/h
（4）地震峰值加速度：0.05g
（5）设计洪水频率：1/100
（6）通航标准：Ⅳ级航道，通航净宽90m，净高8.0m
（7）桥梁宽度：2×（0.5（防撞护栏）+11m（车行道）+0.5m（防撞护栏）+0.25m（半中分带））=24.5m
（二）结构设计要点
1、墩梁刚度比及墩柱结构形式
墩梁刚度比的确定是连续刚构设计中一个重要的部分，合理合适的刚度比不仅能够满足桥整体的纵向刚度要求，还能充分地发挥出材料的性能，改善桥梁梁体的内力分布，增大跨径，节约投资成本。连续刚构桥梁结构中墩柱和梁体的相对刚度，由二者弯矩的分配来决定，同时还受到混凝土梁体的收缩、温度应力及连续刚构墩柱的抗推刚度等的影响，因此在设计时，首要的目标是尽可能减小梁体的自重。
而在墩柱结构的确定中，除了要满足连续刚构结构在结构、施工等对纵、横向刚度的要求外，还要考虑到抗弯刚度和抗推刚度，尽可能地增大抗弯刚度，而减小抗推刚度。根据这一要求，蕲河2号桥主桥主墩采用双肢薄壁墩，墩身横桥向与箱梁底同宽为6.5m，顺桥向和箱梁0 号块内横隔板厚度一致为0.9m，承台平面尺寸14.4×8.9m，厚4.0m，基础采用6Φ2.2m 钻孔灌注桩。7 号、10 号过渡墩为“L”形盖梁，墩身为钢筋混凝土双柱式桥墩，桥墩直径2.0m，桥墩间距6.0m。
2、梁墩固结处
连续刚构中梁墩固结处的设计是结构设计中作为关键的一部分，固结处的构造与受力都较为复杂，在设计时，其联结的形式取决于桥墩柱的形式，在此基础上，还应当考虑到传力路径、施工便捷程度等方面，确保设计科学合理。
（三）结构计算
在根据设计原则及设计要点确定连续刚构结构的基本尺寸后，还应对结构进行计算和验算，再根据具体的情况对结构进行优化调整。结构计算包括恒载、活载、混凝土收缩徐变、温度、不均匀沉降和其他荷载，验算的内容有内力、应力和挠度等，也即承载能力极限状态和正常使用极限状态。
1、内力计算
主桥上部结构的内力计算包括整体纵向计算和局部横向计算。计算采用空间有限元软件进行，使用的计算模型要完全与实际结构的构造和受力特点相符合，以确保计算结果的准确性。
箱梁横向内力计算，一般是使用弹性支撑平面框架进行计算，在计算的过程中还应考虑到温度和预应力对箱梁横向内力的影响。蕲河2号桥箱梁横向分析采用了框架模型进行计算，并以计算的结果来配置顶板横向钢筋。 主桥纵向计算分施工阶段和使用阶段计算，主要采用的计算软件是MIDAS CIVIL和桥梁博士。
2、应力计算
为了有效地防止连续刚构桥底板开裂和腹板开裂问题，还应对结构的预应力进行计算。
（1）底板预应力
在连续刚构桥中，造成底板混凝土下崩、底板预应力钢筋下移的主要原因是力筋张拉后向弧心的径向力，因而，布置在箱梁底板尤其是跨中底板的预应力束张拉后，还须确保预应力束径向力由底板钢筋承受，以保障底板上下层钢筋网不会被撕开。
预应力束筋径向力及荷载的作用是底板整体下挠出现纵向裂缝的主要原因，在控制底板裂缝时，常常采用在跨中截面增设隔板的措施，以增强截面的局部刚度，在实际工作中，对于底板裂缝的控制措施应根据计算结果来选择是增设横隔板还是加设闭合箍筋。
（2）腹板预应力
通过对近些年来一些大跨径连续刚构桥箱梁腹板开裂现象的分析，得知以四分点至八分点的部位最为薄弱，主拉应力最大，因此，在连续刚构桥中除了常规的在腹板内竖向预应力筋外，还应该加强其断面的尺寸和箍筋布置。
另外，根据大量的实践证明，温度变化对连续刚构的影响也较大，是此类桥梁产生裂缝的主要原因之一，因此在进行结构计算时，还应当根据相关的规范对温度荷载进行计算，并根据结果采取相应的措施来尽可能地降低因温差产生的应力。
3、挠度计算
连续刚构结构计算中，计算模型、自重、混凝土的收缩、温度、预应力、施工荷载等多种因素都会对挠度计算造成影响，因此在进行挠度计算时需要综合考虑多种可能的影响因素。
结语：
大跨径预应力砼连续刚构结构在设计计算中，一般还须要进行地震效应分析，通常是采用反映谱法对地震响应进行分析，同时一些主墩较高的桥梁中，还应对高墩的稳定性进行分析，以确保设计结构的安全可靠。
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