学文网摘要：预应力混凝土连续箱梁桥结构具有变形小、刚度好、行车平顺舒适、伸缩缝少、抗震能力强等优点。目前在40～150m跨度范围内，无论是城市桥梁、公路桥梁，还是铁路桥梁中都具有较大的优势，是一种被广泛使用的桥型。这些桥梁以板、梁结构为主，在工程设计中存在诸多问题。因此做好预应力混凝土连续箱梁桥上部结构的优化设计对整座桥梁的结构优化具有重要的意义。本文即重点对预应力混凝土连续箱梁桥上部结构的优化设计问题进行了详细探讨。
关键词：混凝土；连续箱梁桥；优化设计；造价；结构
中***分类号：TU377 文献标识码：A
结构设计计算
（一）箱梁优化设计常量选定的基本原则
1、合理布置桥跨
预应力混凝土连续梁式桥，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。
2、腹板、顶板及底板厚度
（1）腹板
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混凝土梁式桥，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。
（2）顶板与底板
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20～25 cm，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。
3、横隔梁的配置
箱梁桥横隔梁的基本作用是增加截面的横向刚度，限制畸变应力。由于大箱梁截面具有很大的抗扭刚度，所以目前很多国家认为可减少或不设置中间横隔板，而在支座处设置横隔梁有利于减小支座附近的主拉应力。
4、主梁内力分析
采用《桥梁博士v3.1版》桥梁结构计算分析系统对5跨连续梁进行受力分析。结构分析中以平面杆系有限元建立计算模型，按照实际施工步骤划分为77个施工阶段，全桥共218个梁单元。本工程中主梁按照全预应力构件进行设计，设计中考虑了恒载、预应力、收缩徐变、活载、温度力、风力、基础不均匀沉降及施工荷载等效应。非线性温度效应按桥规考虑，基础不均匀沉降按2cm计。效应按桥规考虑，基础不均匀沉降按2cm计。
计算中对施工阶段悬臂浇注、边跨合拢、体系转换、最大悬臂状态、中跨合拢、施加二期恒载等重要工序进行了详细的受力分析，将施工阶段各个指标控制在容许范围内，以确保桥梁的施工按照设计的步骤安全的进行，直至成桥。成桥后主梁在最不利组合作用下均不出现拉应力，最大主拉应力小于1Mpa，最大主压应力小于15Mpa，均在规范容许的范围之内。
（二）预应力体系及优化布置
主梁为纵、横、竖三向预应力体系。纵向及横向预应力采用钢绞线，布置在顶、底板及腹板内，竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢筋，布置在腹板及支点处横隔板内。
主梁的纵向预应力束分为悬浇束和合拢束，悬浇束主要用来抵抗悬臂施工阶段和成桥后的支点负弯矩效应，合拢束主要用来抵抗二期恒载和成桥后的活载、温度等效应。以往很多大跨径连续梁及连续刚构桥均采用了直线型悬浇束，即悬浇束基本没有下弯，直接锚固于箱梁顶板承托附近，以竖向预应力来抵抗箱梁腹板的主拉应力，达到规范的应力要求。
这种布束方式施工简便，受到了广大施工单位的欢迎，但却为结构的安全埋下了隐患。竖向预应力能够改善箱梁腹板主拉应力的前提是竖向预应力必须可靠，而实际中竖向预应力往往不能达到设计预期的工作性能。过分依靠竖向预应力在设计中是不可取的，一旦竖向预应力失效，箱梁很容易开裂。在某桥梁设计中悬浇束分别布置在顶板及腹板内，顶板内的悬浇束采用15-15钢绞线，直接锚固于箱梁顶板承托附近，腹板内布置的悬浇束采用15-19钢绞线，下弯到箱梁截面型心下部以提供较大的预剪力，使腹板的主拉应力得到改善。
主梁的横向预应力束采用15-4钢绞线，间距0.6m，布置在箱梁顶板中，主要用于改善大悬臂板在活载及温度力作用下的不利效应，确保桥面板的使用功能。
主梁的竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢筋，间距0.5m，布置在腹板及支点处横隔板内，主要起到辅助保护的功能，主梁计算中不考虑其作用。
预应力混凝土连续箱梁桥的优化设计案例
某预应力混凝土连续箱梁桥纵桥向桥跨布置为五跨一联，跨径均为30m；横桥向箱梁宽度24.25m。截面形式按单箱三室和单箱五室分别考虑。上部结构现浇箱梁采用C50混凝土；设计荷载为公路-Ñ级，车辆偏载系数根据计算程序合理选取，不小于1.15，单幅布置四车道，横向折减系数取0.67，不考虑人群荷载;桥面铺装采用10cm厚沥青混凝土+8cm厚C40防水混凝土；结构整体温升21℃，温降-21℃考虑；支座强迫位移取单支座下沉1 cm的最不利情况；混凝土收缩徐变按规范取值。
（一）优化结果及分析
采用“桥梁博士3.03”结构计算程序，最终得到5×30m的预应力混凝土连续大箱梁的梁高(分别为1.6 m、1.8 m、2.0 m和2.2 m)优化设计结果。以下结合两种不同截面形式及其对应的预应力钢筋的配置等构造形式，分别给出优化结果并对其进行分析。
1、单箱三室大箱梁
(1)截面细部尺寸取值
本工程箱梁为等高度箱梁，单箱三室，桥宽24.75 m，腹板形式采用斜腹板。顶板厚25cm，跨中底板厚22cm，支点底板厚40cm，悬臂长337.5cm，跨中腹板厚35cm，支点腹板厚55cm。
（2）横隔梁设置
横隔梁仅在各支座处设定。中跨墩顶横隔梁沿桥纵向厚度为2.4 m，在边跨墩顶处为1.2 m。
（3）纵向预应力钢筋布置
考虑在中跨墩顶处配置一定数量的顶板束，各跨配置一定数量的底板束。
（4）梁高优化结果
单箱三室大箱梁上部结构C50混凝土、普通钢筋工程用量随梁高线性递增。虽然梁高引起结构自重的增加，但预应力钢绞线工程用量随梁高的增加递减迅速，这是由于梁高降低，构件整体刚度下降，需配置较多的预应力钢筋以抵抗外力。由表1可知，由于预应力钢绞线造价相对较高，因而在满足相同约束条件的该截面形式下，上部结构造价与梁高之间并不是简单的线性关系。针对本截面形式和构造要求，取梁高为1.8 m时的上部结构优化设计结果为最优结果。
表1单箱三室上部结构造价万元
2、单箱五室大箱梁
将箱梁截面形式由单箱三室调整为单箱五室。腹板、顶板、底板厚度相应减小，并缩短悬臂长度。顶板厚22cm，跨中底板厚20cm，支点底板厚40cm，悬臂长250 cm，跨中腹板厚40cm，支点腹板厚60cm。横隔梁设置，纵向预应力钢筋布置类似于单箱三室箱梁。
经计算可知，单箱五室截面下的C50混凝土、普通钢筋工程用量也随梁高线性递增，预应力钢绞线工程用量随梁高的增加递减迅速。由***1可知，由于预应力钢绞线的配置相对较少，普通钢筋的用量相对较多，故普通钢筋的造价成为上部结构总造价的控制因素。因而也使得在满足相同约束条件的单箱五室截面形式下，上部结构造价与梁高之间可近似看作线性关系。针对本截面形式和构造要求，取梁高为1.6 m时的上部结构优化设计结果为最优结果。
***1单箱五室梁高与上部结构造价关系
（二）优化结果分析比较
1、受力分析比较
（1）按照计算模型中的约束条件的规定，在荷载短期效应组合下， A类预应力混凝土构件拉应力不超过1.855MPa。通过表2可以得出:单箱三室截面情况下的预应力钢筋配置较为保守，相对而言有较多的预应力储备；而单箱五室截面情况下的预应力钢筋配置在满足规范的前提下，与前者相比配置较少。
表2抗裂验算短期效应组合下主要控制截面正应力
（2）主要控制截面使用阶段混凝土主拉应力情况见表3所列。
表3 持久状况标准值组合下主要控制截面主拉应力
由表3可知:单箱三室和单箱五室截面各主要控制截面主拉应力小于规范限值1.325MPa。通过比较，不难发现，单箱三室情况下的主拉应力较单箱五室要稍大，这是由于梁高的不同与截面刚度改变引起的构件整体刚度的变化，对主拉应力有较大的影响。
2、经济性分析比较
两种截面形式下，随着梁高的增加，混凝土与普通钢筋的用量都是线性递增；预应力钢筋的用量随梁高的降低递增迅速。对于相同的梁高，由于腹板数量的增加，单箱五室截面形式下的C50混凝土和普通钢筋的用量比单箱三室截面的要多(***2)。
***2上部结构造价比较
由***2可知，单箱五室截面和构造下的桥梁上部结构总造价要比单箱三室高。这由于单箱五室截面下的普通钢筋用量要远远大于单箱三室，在普通钢筋和预应力钢筋相对价格不变的情况下，使得预应力钢筋数量不再是上部结构总造价的控制性因素。
结论
综上所述，采用单箱三室(梁高1.8 m)截面形式及相应构造，较单箱五室(梁高1.6m)情况而言，结构受力更为合理、上部结构总造价更低。
参考文献
[1]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社，1999.
[2]杜子荣.大跨径连续梁桥合理结构设计[J].中国水运，2009.8.
[3]辛法，李银榜.浅谈中小跨径公路桥梁结构设计[J].山西交通科技，2011.4.
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