混凝土橋梁概念設(shè)計范文

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1主梁布置的選擇

設(shè)計者在面對特定橋址時會面對多種橋型的選擇，但當(dāng)考慮所有限制因素和當(dāng)?shù)貤l件時，其選擇就會受到很多限制。針對不同跨徑主梁類型的選擇，圖4給出了單跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋常用橋型選擇范圍。雙跨或三跨的跨線橋也可參照該圖進行選擇。當(dāng)橋跨越鐵路時，一般采用預(yù)制梁，這樣不僅能減少對鐵路的干擾，還能減少施工的風(fēng)險。同樣，對于小的跨河橋，預(yù)制梁能減少對河道的侵害，并且不需采用施工支架。而對于較大跨徑的橋，采用箱梁更為有效。對跨鐵路或是河流的更大跨徑的箱梁結(jié)構(gòu)，可使用頂推法施工或使用分段預(yù)制箱梁。長的多跨橋和高架橋由于美學(xué)和經(jīng)濟的原因其跨徑常大于30m。可采用預(yù)制板梁或箱梁。圖5給出了最常用的主梁選擇范圍。預(yù)制板梁通常用于跨徑小于40m的橋，因為一旦跨徑大于這個長度就需要專門的起重設(shè)備。當(dāng)有深谷或其他的阻礙需要逾越時，適宜采用頂推箱梁。其預(yù)制塊段可采用多樣的施工方式，但當(dāng)橋長大于2km時才顯現(xiàn)出經(jīng)濟性。當(dāng)開始構(gòu)思結(jié)構(gòu)類型和確定混凝土截面尺寸時，應(yīng)首先在以往類似工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上選擇合適的主梁方案、橫斷面尺寸和混凝土的厚度。然后再進一步考慮不同的荷載、設(shè)計標準及具體場地的地質(zhì)條件。對于預(yù)制板梁，承包商通常對不同類型預(yù)制板梁的跨徑布置和梁間距提出指導(dǎo)意見。而其他類型的橋梁結(jié)構(gòu)在一些論文、專業(yè)刊物上的文章和其他相關(guān)出版物中都有說明，并且互聯(lián)網(wǎng)上也有不斷搜集的論文和工程報告，從其中都能得到有用的信息資料。橋的美觀、耐久及建造可行性都會影響到主梁布置和其他細節(jié)的選擇。橋梁不但要造型美觀還要與其周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。耐久性常常與橋梁細節(jié)聯(lián)系在一起，而不是總體結(jié)構(gòu)布置的選擇。由于橋梁場地條件和復(fù)雜性，施工極具挑戰(zhàn)性，因此考慮施工能力是結(jié)構(gòu)選擇的主要因素。

2聯(lián)結(jié)和跨徑布置

當(dāng)橋梁總長小于60m時，一般建成與墩臺形成整體的連續(xù)橋面。這樣能減少伸縮縫和支座數(shù)量并能夠消除因為這些原因引起的養(yǎng)護問題。對于更長的橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)按實際情況盡可能將主梁連續(xù)長度做大。混凝土箱梁建成的連續(xù)長度已達到1．7km，混凝土斜拉橋在兩個伸縮縫間的連續(xù)長度已達到800m。主梁伸縮縫應(yīng)設(shè)置在設(shè)有支承的橋墩或橋臺上，并應(yīng)考慮到達伸縮縫的各個部分的檢查通道。除非有足夠的工作空間能到達支座和伸縮縫檢查、養(yǎng)護和更換，應(yīng)盡量避免采用半伸縮縫連接。由于橋跨范圍內(nèi)設(shè)置半伸縮縫、鉸接或其他的不連續(xù)點會產(chǎn)生由于徐變和預(yù)應(yīng)力損失引起的長期變形，影響橋面線形，應(yīng)予以避免。主梁和墩臺間是否需要支座取決于結(jié)構(gòu)形式和下部結(jié)構(gòu)的剛度。頂推箱梁結(jié)構(gòu)需要設(shè)置支座使頂推過程更為便利；預(yù)制節(jié)段箱梁結(jié)構(gòu)需要支座來簡化安裝；現(xiàn)澆混凝土板梁可以設(shè)置支座，如果上部結(jié)構(gòu)變位不會對橋墩和基礎(chǔ)產(chǎn)生過大內(nèi)力時，可與下部結(jié)構(gòu)形成整體。位于平曲線上的橋梁設(shè)計中應(yīng)注意聯(lián)結(jié)問題。曲梁總是朝著有效的“固定點”伸長或者收縮，如果導(dǎo)向支座與上面的主梁朝向平行設(shè)置，在導(dǎo)向支座中會產(chǎn)生不同的水平荷載分布。正因為此，一些設(shè)計者更喜歡將導(dǎo)向支座與固定點方向一致。然而對于曲線長橋或小半徑曲線橋，相對于伸縮縫的橫向位移會引起一些問題。曲線橋能引起主梁結(jié)構(gòu)的嚴重扭轉(zhuǎn)和傾覆效應(yīng)，這就要求支座相對于結(jié)構(gòu)中心線橫向偏置或主梁與下部結(jié)構(gòu)連接來抵消其影響。橋跨的布置往往受制于橋址處的自然條件，但應(yīng)盡可能地使橋跨的布置與推薦的上部結(jié)構(gòu)類型相適應(yīng)。預(yù)制梁采用相同的梁長能更好地使施工設(shè)備標準化；對于連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，橋墩設(shè)置應(yīng)使邊跨長度為相鄰內(nèi)跨的70％左右，以保持負彎矩和正彎矩間的平衡。主梁采用平衡懸臂法施工時，邊跨長度要減少到約為相鄰內(nèi)跨長度的60％，以減小邊墩懸臂的不平衡彎距。如果連續(xù)梁的邊跨長度小于上述的建議值，邊支座上就可能出現(xiàn)拉力，這種情況下就需要抗拉措施。最小跨徑和地面以上橋面的高度取決于道路、鐵路或河道的凈空要求。跨徑和橋面高度的比率為3時被認為是最適宜達到視覺平衡的，雖然對于特別高或特別低的橋墩來說難以實現(xiàn)。橋梁長度較短時，僅需數(shù)跨但要考慮跨間平衡設(shè)置，一般認為3或5跨比偶數(shù)橋跨有更好的視覺外觀。

3體內(nèi)或體外后張預(yù)應(yīng)力

過去，體內(nèi)和體外后張預(yù)應(yīng)力鋼束在設(shè)計、施工和耐久性方面出現(xiàn)了些問題。這些問題已經(jīng)被弄清并且在詳圖設(shè)計和施工方面已經(jīng)建立起一個能成功使用兩種預(yù)應(yīng)力體系的基礎(chǔ)。作為總體概念設(shè)計的一部分，設(shè)計者必須在體內(nèi)鋼束和體外鋼束間作出選擇或是兩者同時采用。與體內(nèi)鋼束相比較，體外鋼束的優(yōu)勢在于：（1）通過取消腹板和翼板內(nèi)的預(yù)應(yīng)力管道簡化了節(jié)段的澆筑。并使模板、架立鋼筋和養(yǎng)生更容易。（2）不設(shè)預(yù)應(yīng)力管道減少了腹板厚度，使得上部結(jié)構(gòu)重量減少并節(jié)省下部結(jié)構(gòu)的造價。（3）在條件許可的地方，預(yù)制節(jié)段結(jié)構(gòu)可以使用干接縫，這使得主梁安裝簡單、快速，減少了施工費用。（4）可以到達管道的任何部分，使得安裝更加簡單。鋼束敷設(shè)更加順暢且不會產(chǎn)生體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束遇到的管道堵塞的情況。（5）鋼束布置簡單。（6）因為可以直接接觸管道且各鋼束可各自灌漿，不會出現(xiàn)體內(nèi)鋼束漏漿或管道阻塞等問題，使得灌漿更容易。（7）減少了高強鋼絞線的摩擦應(yīng)力損失。（8）施工和長期養(yǎng)護中檢查鋼束更加容易。（9）鋼束在需要時可以更換。（10）易于主梁升級和承載力增強設(shè)置附加鋼束。與體內(nèi)鋼束相比較，體外鋼束的不足在于：（1）體外束采用HDPE管道防護，需灌注水泥漿或填蠟，這使得預(yù)加應(yīng)力體系的初期材料造價較高。（2）在控制性斷面鋼索偏心距減小，增加了預(yù)加力材料數(shù)量。（3）在極限抗彎條件下，體外鋼索需要更多的預(yù)加應(yīng)力來產(chǎn)生相同的抵抗力矩。（4）依賴于錨固的整體性來保持預(yù)加應(yīng)力，如果某處錨固失效整個鋼索也會失效。（5）錨固點和轉(zhuǎn)向塊承受很大的集中力，需要錨固在主梁結(jié)構(gòu)中。（6）如果鋼索的自由長度太長，鋼索易產(chǎn)生振動，可能產(chǎn)生疲勞和腐蝕問題。（7）外露的鋼索更易受到事故損環(huán)。（8）鋼索、錨固點和轉(zhuǎn)向塊的安裝、以后的檢查以及鋼束必要的更換等都需要較好的可到達性。體內(nèi)鋼束和體外鋼束都會使結(jié)構(gòu)堅固、有效，兩者的選擇常受當(dāng)?shù)匦枰蛯嶋H經(jīng)驗的影響。現(xiàn)在許多橋同時采用體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力以取兩者之長。

4橋梁造價

一般來說，橋跨越短每平方米橋面的造價越低。橋跨小于20m時預(yù)應(yīng)力混凝土橋是不經(jīng)濟的，此時更適宜用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在通達受限制的情況下，例如跨越河流或鐵路，預(yù)制預(yù)應(yīng)力梁往往是經(jīng)濟的方案。橋跨越大，每平方米橋面所用的混凝土、鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼材隨之增加，從而引起工程造價的提高。如果有大的臨時性工程也會增加總的造價。在有不良地質(zhì)或為避開地下障礙，需要復(fù)雜或花費大的基礎(chǔ)，下部結(jié)構(gòu)的造價就占了總造價的大部分比例，此時最好加大跨徑調(diào)整上下部結(jié)構(gòu)造價的平衡。影響橋梁造價的其他因素還包括橋位及場地條件、設(shè)計、勞工費用、材料單價和場地限制等。在英國，一座典型的單跨公路跨線橋或下穿橋每平方米橋面的造價大概為850英鎊，其中橋臺占總造價的一大部分。一座典型跨徑達20m的三跨高架橋，每平方米的造價大概為700英鎊。跨徑越大每平方米橋面的造價就越大。一座跨長40m的多跨跨線橋每平方米的造價大概為850英鎊，而跨徑70m的橋其造價增加到每平方米約1200英鎊。斜拉橋每平方米的造價超過2500英鎊。人行橋因其橋面面積小、橋臺較高及支架費用大，每平方米橋面的造價更高。在進行橋梁概念設(shè)計時，通常要對不同主梁類型和跨徑布置做造價對比。雖然橋梁美學(xué)和環(huán)境評估等因素會影響最終的方案選擇，但對主梁和下部結(jié)構(gòu)數(shù)量及施工費用進行估算并提出性價比最高的方案是非常重要的。對于長的多跨高架橋，選擇最高性價比的最佳跨徑的途徑就是使橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)造價相平衡。跨徑越大其上部構(gòu)造數(shù)量和造價增加，但是可以通過減少下部橋墩數(shù)量來減少造價。上部結(jié)構(gòu)造價一般直接與跨徑成比例。下部結(jié)構(gòu)的造價（用每平方米橋面的造價來表示）一般隨跨徑加大而減少。但采用樁基的地方，因為需要增加額外的樁來承擔(dān)增加的荷載，造價曲線會出現(xiàn)突變點。橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的造價可繪制如圖6所示的曲線圖，從而選出最佳跨徑。每噸體外鋼束的造價比等量體內(nèi)鋼束的造價高，但可以通過其他方面費用的節(jié)省予以抵消。體外鋼束可以使混凝土截面尺寸，特別是腹板的厚度減小。另外，鋼筋的固定和混凝土澆筑更容易些。采用體外鋼束的節(jié)段施工以及逐跨架設(shè)施工的，可實現(xiàn)長高架橋快速組裝，進而縮短了施工工期，減少了總造價。

5材料數(shù)量

對于每座橋來說，數(shù)量各不相同。橋面寬度、活載和其他因素都會影響最終的材料數(shù)量。但上部結(jié)構(gòu)所用的混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼材的數(shù)量對于給定的跨長和主梁類型存在一合理的范圍。在設(shè)計過程中，與以往的類似工程材料量比較，從而得出有效的橋跨布置是非常重要的。圖7給出了跨徑從30～150m梁典型的材料數(shù)量范圍。預(yù)制節(jié)段施工容易完成較薄的斷面構(gòu)件，與現(xiàn)澆施工相比能節(jié)省混凝土數(shù)量。頂推箱梁施工出于設(shè)計需要，混凝土數(shù)量比其他施工方法稍多。預(yù)制節(jié)段梁和預(yù)制梁由于早期熱效應(yīng)和不均勻收縮較小，和其他施工方法相比所需縱向鋼筋量較小，因而每平方米橋面所用的鋼筋量較小。然而，頂推箱梁在頂推過程中要承受臨時荷載和結(jié)構(gòu)受力要求，需要較多的鋼筋。對于預(yù)應(yīng)力混凝土梁來說，預(yù)制節(jié)段梁與現(xiàn)澆梁相比，由于其徐變和鋼束應(yīng)力長期損失均較小，需要的預(yù)應(yīng)力數(shù)量較少，節(jié)省了造價。頂推箱梁需要額外的預(yù)加應(yīng)力來滿足施工條件。如果用體外鋼束代替體外鋼束，由于有效抗矩減小，預(yù)加力數(shù)量有所增加。但由于摩擦損失的減小會在一定程度上有所抵消。不同的設(shè)計規(guī)范和荷載標準會較大地影響橋梁的材料數(shù)量。標準鐵路荷載比公路的荷載重，這就需要更多的預(yù)加應(yīng)力，而人行橋的荷載較輕，材料數(shù)量就比較少。按BS5400標準設(shè)計的橋梁會比采用AASH－TO設(shè)計的相同結(jié)構(gòu)需要更多的鋼筋和預(yù)加應(yīng)力鋼材。

作者：劉靜 李睿林 單位：中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 青海省高等級公路建設(shè)管理局