1 預應力混凝土連續梁橋 設計 本次設計旨在讓設計者熟悉現行規范，即 JTG D62-2004及 JTG D60-2004，以及橋梁設計的一般步驟及方法。通過設計，設計者能夠對大學期間所學的知識加深理解，并能夠系統地運用起來。除此以外，設計者在解決設計中所遇到的難題的過程中，查閱資料的能力得到提高，并且學到了不少新的沒有接觸過的知識。 本次設計的主體是一座采用掛籃懸臂現澆施工的變截面預應力連續箱梁橋。連續梁是一種古老的結構體系，它具有變形小、結構剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少、養護簡易、抗震能力強等優點。本次 設計的橋梁為變截面布置，因為大跨橋梁在外載和自重作用下，支點截面將出現較大的負彎矩，從絕對值來看，支點截面的負彎矩大于跨中截面的正彎矩，因此，采用變截面梁能符合梁的內力分布規律。同時，大跨連續梁橋宜選用懸臂法施工，而變截面梁又與施工的內力狀態相吻合。 在 20世紀 50年代以前，預應力混凝土連續梁雖是常被采用的一種體系，但跨徑均在百米以下。這主要是因為采用滿堂支架施工，費工費時，限制了它的發展。 50年代后，預應力混凝土橋梁應用懸臂施工方法后，加速了它的發展步伐。 本設計中采用的掛籃懸臂現澆施工方法首先由聯邦德國 迪維達克公司創造和使用，它使用少量施工機具設備，避免大量支架，可以方便地建造跨越深谷、流量大的河道和交通量大的立交橋梁，而且施工不受跨度限制，跨度大，其經濟效益高，所以大跨連續梁橋常采用掛籃懸澆施工。由于施工的主要作業都是在掛籃中進行，掛籃設有外棚，不受外界氣候影響，便于養護；操作重復，有利于高效率工作和保證施工質量，同時還便于在施工中不斷調整節段誤差，提高施工精度。 本設計主要是設計該 變截面預應力連續箱梁橋的上部結構的預應力筋的配置。 一、跨徑比 一般情況下，為使邊跨正彎矩和中支點負彎矩大致接近的原則，以 使布束更趨合理，構造簡單，故 L1/L2=0.539 0.692 是常見的邊、主跨的跨徑比范圍，當 L1/L20.419 時，邊跨則需壓重，應屬于非常規的特殊處理；大都 L1/L2=0.54 2 0.58 則較合理，這將有可能在邊跨懸臂端用導梁支承于端墩上合攏邊跨，取消落地支架。 二、梁高 主跨箱梁跨中截面的高跨比 h0(1/46.2 1/86)L2,通常為（ 1/54 1/60）L2，在箱梁根部的高跨比 h1 （ 1/15 1/20.6） L2,大部分為（ 1/18） L2左右 . 目前在國際上有減少主梁高跨比的趨勢，已建成的挪威 stolma 橋和Raftsundet 橋，在跨中區段采用了輕質砼，減輕了自重，減小了主梁高跨比，其跨中 h01/86L2 和 1/85.1L2 ，根部高度分別為 h1=1/20.1L2 和1/20.6L2 。 一般情況下，可采用 2 次拋物線的梁底變高曲線，但往往會在 1/4L2 和1/8L2 處的底板砼應力緊張，且在該截面附近的主拉應力也較緊張，因而，可將 2次拋物線變更為 1.5 1.8次方的拋物線更合理。 在江蘇平原通航河道上，為了滿足通航凈空的要求，在設計時甚至采用大于2次拋物線的冪級數設置底板曲線，這是值得十分注意 的問題，事實證明，跨中撓度一般較大，極易發生正彎矩裂縫和斜裂縫。 三、頂板厚度 以往通常采用 28cm，近年來已趨向于減小為 25cm，這顯然與箱寬和施工技術有關。 四、底板厚度 以往通常采用 32cm(跨中 )，逐漸向根部變厚，少數橋梁已開始采用 28-25cm者，其厚跨比通常為（ 1/140 1/160） L2,也有用到 1/200L2 者。 挪威 stolma橋和 Raftsundet橋最大底板厚度為 105cm和 120cm，合跨徑的1/286.7和 1/248.3，這將取得了明顯的經濟效益。 五、腹板 一般為 40 50cm，但應特別注意主拉應力的控制，近年來在腹板上出現較多斜裂縫的病害甚多，應予謹慎。 增加箱梁的挖空率，減輕截面的結構自重，采用高標號砼，采用較大噸位的預應力鋼束，采用三向預應力體系等，無疑都是提高設計水平，獲得良好經濟效 3 益的重要措施，但同時又必須合理地掌握好 “ 度 ” ，必須確保結構的安全度和耐久性。 六、連續通長束不宜過長 根據連續結構的受力特點，截面上既有正彎矩也有負彎矩，個別設計中將連續通長束順應彎矩包絡圖僅作簡單布置是欠合理的，尤其對于較小跨徑的矮箱梁，其摩擦損失單項即可達 40 60%k 之多。建議此時可采 用兩根交叉束布置，也可改用接長器接長，分成多次張拉等。但在具體設計時接長器也不宜集中在某一個斷面上，以使截面的削弱過于集中，同時也會造成施工上困難。 七、普通鋼筋是預應力砼結構中必須配置的材料 當混凝土立方體試塊受壓破壞時，可以清楚地看到混凝土立方體試塊側向受拉破壞的形態。也即預應力僅在某一個方向上施加了預壓應力，而在其正交方向卻會產生相應的側向拉應力，這是預加應力的最基本概念，必須牢固掌握，靈活應用。 因而，在預應力混凝土結構中必須配置一定數量的非預應力鋼筋，以保證預壓應力的可靠建立。為此，在一般情況下， 非預應力鋼筋約為 80-100kg/m3（一立方米砼中的含筋量）。偏少、偏多的構造鋼筋均需作適當優化和調控。例如 橋為多跨 L=42m 的預應力混凝土等高度連續箱梁，設計中采用了 185kg/m3 的普通鋼筋，明顯偏多，但在某些局部的普通鋼筋卻又偏少。又如某橋的非預應鋼筋僅為 36.6kg/m3，實屬太少。 八、關于扁波紋管、扁錨的采用 扁波紋管的采用，日益廣泛，有利于減少構件的截面尺寸，但必須注意如下幾點： 1、扁波紋管的尺寸高度不宜太小，不利于飽滿灌漿。例如目前采用的M15-4，其相應的扁波紋管內徑為 7019m m，一般常采用的鋼絞線直徑為15.24mm ，則可灌漿的間隙僅有 3.76mm 10.0mm（公路橋規 JTJ023-85，第6.2.26條、四中要求： “ 管道的內徑應比預應力鋼筋外徑至少大 1.0cm” ）。在寬度方向： 70-415.24=9.04mm10mm ，其平均間隙為（ 70-415.24 ）/(4+1)=1.8mm。因此很難保證灌漿的飽滿度和可靠握裹。在施工過程中扁波紋管的變形的可能性遠大于圓波紋管。 4 2扁波紋管的根數。在實際工程中常用的鋼束根數為每管內 4 束或 5 束。其錨圈口的損失， 5束應大于 4束，遠較 圓錨時要大，其錨固效率系數也較難保證達到 95%，同時在穿束過程中也極易絞纏在一起，因而建議，每管內 3.0束合適， 4.0束尚可， 5.0 束不妥。 3扁錨用作橫向預應力束合適；用作縱向受力主束欠妥，不應采用 “ 扁錨豎置 ” 作為縱向受力主束（彎起），這將會使實際有效預應力嚴重不足，各股鋼束在豎置彎起的扁波紋管內互相嵌擠，摩阻損失很大，對扁波紋管的橫向擴張力也很大，各束受力很不均勻，延伸率無法控制，這種 “ 扁錨豎置 ” 方案已有多座實橋失敗，應該禁止采用。 九、關于鋼鉸線的彈性模量 Ey 的的理論值為 Ey=(1.9 1.95)105Mpa ，而在試驗報告中常會出現Ey=(2.04 2.06)105Mpa 的結果，如按 Ey=2.04105Mpa 計算張拉伸長量，則理論值與實際值的誤差將達： ，這里已超過施工規范 6%的誤差范圍了。其原因在于 Ey= ，由于試驗值中并未用真實的鋼絞線面積 Ay 代進上式計算，而是采用了理論值 Ay（偏小值）代進上式計算 Ey，從而得到了偏大的 Ey 值。因而，在工程應用中的伸長值控制，必須按實測值 Ey 控制，而不應是理論值Ey的計算伸長量。 十、錨頭或齒板的壓陷、壓崩破壞 在工程中錨頭或齒板壓陷、壓崩破壞 ，時有所見。值得注意者，局部受力的錨頭或齒板的砼強度和配筋一般地安全儲備較小，且由于該局部區內的配筋又較密，砼操作空間又較小，振搗工作又較困難，稍有疏忽，很易出現質量事故，所以在施工中應備加小心。 十一、平面曲線束張拉時，構件會否失穩？ I 字形組合 T梁張拉時構件在橫向會否失穩正確的回答為不會失穩？ 其基本概念為后張法張拉時的桿件屬 “ 自平衡 ” 體系，而與桿件作用一個軸壓力的平衡條件有著本質上的差異，前者不會橫向失穩，而后者有可能產生橫向屈曲失穩。因而，一根曲桿進行后張法預應力張拉時不必擔心其橫向失穩問題。 十二、 先張法預應力混凝土構件的放張 5 先張法的放張工藝即是一個施加預加力的工藝過程。原則上要求均勻、一致，不要突然切割，驟然放張，其沖擊力將會破壞鋼束自錨區的 “ 傳遞長度 ” 范圍內的 “ 握裹 ” 。 十三、超張拉問題 對于采用夾片錨時，不應再進行超張拉工藝的概念，已被廣大設計、施工人員所掌握。但有時在圖紙上仍有超張拉（ 3% 5%） k 的提法。其理由是補償錨圈口損失（ 2.5 3%） k 所要求。各個廠方所提供錨具的錨圈口損失是不相同的，應由承包商通過試驗后確定，并在張拉時進行調整。但在概念上決不能歸屬于 “ 超張拉 ” 的范疇中去，應屬 于一種損失補償的性質。 十四、灌漿、封錨 在張拉過程如果碰到一點問題，是不足為怪的，可以停下來進行專門研討一番，把問題弄清楚后再繼續張拉，切莫蠻干，更不能 “ 作假 ” ，進行灌漿、剪絲和封錨，搞成既成事實，其后果將是無法挽救的損失。 在張拉過程中出現滑絲、斷絲、夾片碎裂、錨下砼開裂、反拱過大、反拱過小、構件側彎、構件出現裂縫等等異?，F象時，必須認真做好原始記錄，應立即停工進行專題研討后再妥善處理。 灌漿的時間越早越好，檢查無誤后，應爭取及早灌漿，以免高應力下的鋼絲銹蝕。 封錨也應及早進行，至少要先用環氧砂漿等涂抹 錨頭，以防生銹和積水。 十五、預應力混凝土梁的正彎矩裂縫 其主要原因是屬預應力不足性質，既可能是設計原因也可能是施工，或可能原因是營運多年后部分預應力已經失效。在查清原因的基礎上，可以采用增加預應力束的方法處理，但很可能要在體外施加預應力，此類性質的加固一般較麻煩，裂縫雖可部分地得以閉合和改善，上拱也可有微小的改善，但總會留有一定后遺癥。 十六、預應力混凝土梁的斜裂縫 此類裂縫也稱主拉應力裂縫，也是 P.C.梁橋中目前出現最多的一種裂縫。一般發生在支點和四分點附近，在 梁軸線附近呈 25 50 方向開裂，并逐漸地向受壓區發展（寬度）和延伸（長度），甚至逐漸地向跨中范圍內擴展。 6 斜裂縫的產生原因復雜，屬剪切、扭轉性質產生的主拉應力不足而引起。從破壞性質而言則屬脆性性質，因而必須十分重視，應采取果斷措施，注意檢測和及時處理。 在設計中，人們對正截面強度常較注意，而對斜截面強度有時卻重視不夠，由于變高，腹板變厚，底板變厚等原因，一目很難了然，也即一眼很難確切地看出在什么部位會出現斜截面強度不足的問題，計算機有時只會按既定的程序執行，不易發現或者會遺漏某些最不利截面的計算，甚至缺 少了一些最不利組合的工況，例如某橋由于劃分單元太粗，未能發現突變應力的出現而開裂。又如某橋出現了 45斜裂縫達 148條，其中 49條斜裂縫在腹板的內外側均已貫通。 目前設計中常采用 “ 直束 ” 布置的方案，以利構造和施工。因而在邊跨現澆段常不設彎起束，甚至不布置豎向預應力筋和彎起的普通鋼筋。導致了連續梁邊跨出現斜裂縫的情況較為普遍。通常情況下，邊跨的梁高較小，如果配置豎向預應力筋，其實際效果也是很差的，主要是短束的錨頭區損失份額太大，施工中也不易正確控制，故建議只按理論計算值的一半來考慮豎向預壓應力（ y/2 ）較合 理。因而，近年來對連續梁邊跨必須布置彎起束的觀點已成共識。 關于豎向束的錨頭空白區問題也應十分注意，其分布角約為 26，空白區直至會延伸至腹板，導致靠近翼板加腋處的腹板出現主拉應力裂縫。 在施工中如出現 “ 跑模 ” ，導致腹板尺寸減小者也時有所見，較設計厚度少2cm，直至 4cm 也曾出現，致使主拉應力增大而出現斜裂縫。在豎向預應力筋的施工過程中，由于數量多，工作煩鎖，重視不夠而曾出現過各種質量問題，例如：漏張、漏灌漿、張拉噸位不足、未能及時灌漿而使預應力筋已經嚴重銹蝕等。 在懸臂澆筑時，由于沒有預壓重，或由于澆筑順 序不正確（必須由懸臂端向根部推進），導致了先澆砼的開裂，雖張拉了負彎矩束，但裂縫仍不能完全閉合，由于這類裂縫的存在導致了剪應力 的增大（已非全截面工作狀態），其主拉應力甚至會成倍地增加。從主拉應力的的計算公式： 可以看出 和 y 對產生 l 主拉應力的關系，因而在施工中必須嚴格操作，精心施工，才能確保斜裂縫不會發生和發展。 關于 P.C.連續梁和剛架斜裂縫加固處理的方案應根據具體情況而采取不同的對策。常用的方法有壓灌或封閉裂縫，粘貼碳纖維片，加厚腹板，增加預應力 7 鋼束等。但均必須做好細致的加固設計工作，并進行精心施 工，做好營運車輛的統一安排工作等。 十七、縱向裂縫 縱向裂縫也是預應力砼梁中較多出現的一種裂縫。這種裂縫較多地出現在頂、底板上，沿順橋向有的縱向縫已經連續貫通 ,有的較長，有的則不連續且較短。 1.混凝土硬化期間的縱向縫。此類裂縫常出現在懸澆節段澆筑施工期，在底板較厚的根部，拆模后即發現底板下緣有縱向縫。由于此時在結構上尚未作用外荷載，其原因是由于溫差引起的自平衡應力，其受拉應力已超過了緩慢提高的砼抗拉強度。 由圖 1中可見，如因底板較厚，硬化期間產生的水化熱在厚板中溫度較高，在板表面的溫度又較低時，就將在板表 面產生收縮，而在板的芯部產生壓應力而互相平衡的自應力平衡狀態，尤其是板底極易產生較大的砼拉應變而導致了縱向裂縫的產生。此類裂縫應加強防收縮鋼筋構造，但由于僅在板的表面范圍內，此類裂縫一般可以通過封閉或壓灌處理即可。 2.頂板縱向裂縫一般呈現在箱室內，不易發現，也即在頂板的底面。常見的原因有：（ 1）順橋向預應力過大，人們常有一種錯誤觀點，認為預壓應力留得大一點總比較安全一點（指永存預應力）。殊不知預應力混凝土是一種主動加力體系，過大的預應力也是有害處的，通常情況下，永存預壓應力控制在 2Mpa 已經足夠，用以抵抗 剪力滯后、局部應力、計算圖式的假定不符合實際情況等因素。個別設計中將永存預應力甚至達到 10Mpa以上，從而在正交向極易產生由泊松比而產生橫向拉應變，甚至沿波紋管的方向產生規則性的縱向裂縫，管內積水、銹蝕鋼束，此類裂縫的危害性極大，一旦發現，應立馬處理。因而，采用過大永存預應力的做法是賠了夫人又折兵的錯誤觀點，應予注意。 大懸臂板的箱梁，常需放置橫向預應力束（常用扁錨）。 R.C.箱的挑出長度建議控制在 2.5m 范圍內較合理。由于頂板厚度較薄，既要布置橫向預應力束，又要布置非預應力鋼筋，因而尺寸布置十分困難，在實 際施工中，橫向預應力鋼筋的 “ 偏心矩 ” 較難精確控制，一旦偏心矩的實際偏差較大時，極易在頂板下緣出現縱向裂縫；橫向預應力不足，也會產生頂板縱向裂縫。某橋的頂板底面縱向 8 裂縫達數千條，箱內檢查時十分恐懼。在寬板時，主束集中在腹板處時，錨頭區截面由于剪滯原因，預制箱梁的底板，在配筋不足時易產生縱向裂縫，但范圍不大。 十八、溫差應力引起頂板裂縫 我國公橋規中對于溫差應力僅考慮橋面板有 5 的溫差，并計其產生的相應內力，根據近年來實踐和研究，其計算結果似偏小，且偏于不安全。主要為：（ 1）僅考慮橋面板部分均勻升溫或降溫不 合理，也應考慮底板的溫差影響；（ 2）假定橋面板的溫度應力為 “ 均勻 ” 分布不符合實際情況，假定為曲線圖形分布或三角形圖形分布較合理；（ 3）應以實際資料為基礎（各個地區不同），并進行積分求得由溫差應力產生的附加內力（對于超靜定結構還應計入其引起的次內力）。當大跨經連續梁橋或連續剛架橋時，此項溫差內力甚至可以接近活載應力，其控制截面為跨中下緣和支點的上緣應力。我國云南六庫怒江大橋，曾實測其溫度變化，頂板的應變較底板的應變約大 3.09 倍。新公橋規（征求意見稿）已作了相應修改。 十九、底板混凝土保護層劈裂 底板如果 呈曲線形時，必須布置抗徑向分力的 “ 吊筋構造 ” ，否則底板砼極易拉脫，對于彎梁橋設計時也具有相類似的要求。當在底板中布置主束時，由于底板內上、下層均有縱、橫向構造鋼筋，為保證鋼筋能構成骨架，故應布置 “ 平衡鋼筋 ” （ ）將上、下層橫向鋼筋聯成整體，以防止底板的劈裂破壞。 二十、波紋管位置的正確性 波紋管位置的正確性十分重要，其本質上是預加力偏心矩的正確性問題，施工中每個環節均需要反復核查，不能稍有懈怠。 如放樣坐標的檢查、澆筑砼的形狀正確性直接影響到截面重心的位置，曾有芯模上浮后造成嚴重教訓的實例，操作手的踩踏不能 容許，任意改變鋼束坐標是嚴禁的制度等。 二十一、關于豎向預應力筋的布置方式 大跨徑箱梁的預應力豎向鋼筋必須布置在腹板的中心線上。 某橋設計中將預應力豎向鋼筋沿順橋向布置在一條直線上，以利構造和施工（如有利于主束的彎起、非預應力鋼筋的布設、頂板錨頭槽口的開設等）。但是， 9 大跨徑連續箱梁的腹板厚度一般會設計幾個梯度進行變化，且均在腹板內側加厚，因而上述這種構造，將會導致在腹板中存在一個預偏心而產生附加彎矩，使腹板內側受拉，尤其當箱梁懸臂板上滿布活載而箱室上方空載時，也將使腹板產生內側拉應力，兩者疊加后，腹板將會出 現順橋向的內側縱向裂縫和加劇腹板主拉應力裂縫的發生和發展，這種構造對受力很是不利，因而，要求預應力豎向鋼筋必須對腹板截面進行對中布置。 二十二、關于連續梁的支座布置 支座是上、下部結構的聯結紐帶，應予十分重視，且是受力非常集中的薄弱構件，一旦發生故障，如果要更換支座則就是一個巨大的工程。從圖 2中不難看出支座的布置原則必須滿足自由變形的要求，如果按圖 2(A)的布置方式則在橫橋向的溫度變形、荷載變形均受到約束，從而導致了主箱梁的縱向開裂，這種現象在國內多座大橋上均出現過，必須引起重視。 以上是指直梁橋而言，但對 于 梁橋來說，其支座的布置原則又需符合彎梁橋的變形規則。例如