中铁预应力连续梁桥设计与施工超详细做法让桥梁工程师不再崩溃

中铁预应力连续梁桥设计与施工超详细做法，让桥梁工程师不再崩溃！当前连续梁桥盛行连续梁桥项目日益强盛，了解连续梁桥，是每个桥梁工程人必备技能之一。连续箱梁分为钢筋混凝土连续箱梁和预应力混凝土连续箱梁。一般来说，当跨径小于20m时才可采用钢筋混凝土连续箱梁，当跨径大于20m时应采用预应力混凝土连续箱梁。对于曲线半径过小的匝道桥，不宜设计成预应力结构。连续梁设计与施工相互制约，设计时需要结合桥址地形、工程规模、工期、造价等因素，事先预设施工方法。常用的施工方法有支架整体现浇、简支-连续施工、支架逐孔现浇、悬臂施工、顶推施工等……一、预应力连续梁总体设计混凝土连续箱梁结构形式一般有等高度连续梁、变高度连续梁、连续刚构、连续V构等四种,设计时应根据工程实际情况、结合各种桥型自身特点作出合理选择。等高度连续梁具有跨越能力小、构造简单、施工方便快捷的特点；适用于小跨径连续梁桥。变高度连续梁具有受力合理、主要采用悬臂施工法的特点；适用于中大跨径连续梁桥。连续刚构具有墩梁固结的特点；适用于桥墩较柔的中大跨径连续梁桥，桥墩较矮时不宜采用。连续V构具有构造复杂、造型美观的特点；适用于对造型要求较高的中等跨径连续梁桥。常用的施工方法有支架整体现浇法（整联现浇，施工中无体系转换，桥梁整体性好，适用于规模较小的中小跨径连续梁）、支架逐孔现浇（一般适用于中小跨径连续梁）、简支－连续施工法（一般适用于工程规模较大的等截面中小跨径连续梁）、悬臂施工法（是国内最常见的中大跨径连续梁施工方法，具有适用性、经济性好，但施工体系转换次数多、线形较难控制的特点）、顶推施工法（适用于有顶推条件的中小跨径等高度连续梁）、逐孔拼装法（适用于中小跨径大型桥梁工程）。桥梁孔跨布置受地质、地形、桥下通车通航等因素制约。在条件允许的情况下，应力求受力合理、施工方便、孔跨配置协调一致。一般情况下，等高度小跨径连续梁可采用相同跨径；中大跨径的变高度连续梁各中跨宜采用相同跨径，边跨跨径宜为中跨跨径的0.55～0.6倍；对墩梁固结的箱梁，应合理选择边中跨比例，以减小墩身弯矩。梁高构造尺寸：等高度连续梁高跨比一般取1/15～1/18。变高度连续梁：⑴跨中截面高跨比Hc/L一般取1/30～1/50。⑵支点截面高跨比Hs/L一般取1/15～1/18。⑶跨中处直线段长度Lc一般取2m。⑷支座处直线段长度Ls一般与该处桥墩宽度相等。⑸中间部分La为曲线变高梁段，梁底曲线一般采用圆曲线或者抛物线,抛物线指数k一般取1.65。若以变高度梁段跨中端桥面处为原点，水平向右为X轴，竖直向下为Y轴建立坐标系，则：横截面形式：1中小跨径连续箱梁桥宽14m以下宜采用单箱单室截面形式；桥宽18m左右宜采用单箱双室截面形式；桥宽在22m以上时，一般采用单箱多室截面，也可采用双箱形式。2大跨连续箱梁桥宽16m以下一般采用单箱单室截面形式；桥宽18m以上可采用单箱双室截面或分幅建造。细部尺寸：箱梁横截面由顶板、底板、腹板、悬臂板、承托构成；各部分构造须满足受力、构造、施工方便的要求。箱梁顶板需要满足横向抗弯以及布置预应力钢筋的需求。一般地：在腹板间距为3.5～7.0m时，顶板厚度可采用0.18～0.30m。箱梁底板需要满足纵向抗弯以及布置预应力钢筋的需求。一般地：⑴等高度连续梁底板厚度宜采用0.20～0.25m。⑵变高度连续梁底板厚度随负弯矩从跨中到支点逐渐加厚。跨中底板厚度宜采用0.25～0.30m；支点底板厚度一般采用梁高的1/10。腹板尺寸除满足受力需求外，还需要满足通过、连接、锚固预应力钢筋的构造需求。⑴腹板厚度一般采用0.40～0.80m。通常，中大跨径连续梁支点处腹板较厚，跨中处腹板较薄，起变点一般设置在L/4附近，变化段长度一般为3～6m。⑵箱梁一般采用直腹板。等高度箱梁外侧腹板也可采用斜腹板，配合合理的圆弧倒角可以有效改善箱梁外观。变高度箱梁不宜采用斜腹板，以免施工困难和因支点附近底板宽度过小造成设计困难。⑶斜腹板箱梁抗剪等计算时，应采用腹板垂直厚度，而不应取腹板水平截线宽度。悬臂板长度及腹板间距是调节桥面板弯矩的主要手段。悬臂板长度一般为2.5～4.5m，悬臂端部厚度一般取0.16～0.20m，悬臂根部厚度一般为0.4～0.6m。承托布置在顶底板与腹板连接的部位，起均匀过渡力线、增加横向刚度以抵抗扭转、畸变应力。形式上可分为竖承托和横承托。竖承托对腹板受力有利；横承托对顶底板受力有利。一般地，受抗剪、主拉应力控制的宜设置竖承托；受纵横向抗弯控制的宜设置横承托。桥面横坡一般通过以下几种方法形成：⒈铺装垫层成坡--在箱梁顶板与桥面铺装间设置不同的铺装垫层厚度。该方法简单易于设计，但额外增加了桥梁自重，特别是在桥宽较大的时候，容易造成设计的不经济。⒉箱梁顶板成坡--箱梁底板在横桥向保持水平，箱梁外侧腹板倾角保持相等，通过桥面板倾斜来形成横坡。当在箱梁顶设置一字坡或者不对称的人字坡时，两侧腹板高度不一致，会让设计变得更加繁琐。⒊箱梁旋转成坡--当箱梁顶设置一字坡时，可将箱体“刚性旋转”在顶板上形成横坡。这种方法设计简单，但施工时较难控制。支撑体系含墩梁固结支撑、支座支撑。1墩梁固结支撑--墩梁永久固结为墩梁混凝土直接连接，不设置支座。这种情况下，墩梁固结点为一个刚节点，节点弯矩按刚度分配到该节点连接的杆件上（梁、墩）。这种支撑形式常用于桥墩较柔的大跨连续刚构。墩梁临时固结的支撑体系常用于连续梁桥悬臂施工过程中。⑴在墩顶加临时锚固采用预应力双排锚杆将墩梁临时固结。通常锚杆下端预埋在桥墩中，锚杆穿过梁体混凝土并锚固在梁顶。锚固数量及张拉力由施工最大不平衡弯矩计算确定。为便于拆除，在临时支座上下面各设置厚约2cm的硫磺砂浆夹层，并在临时支撑附近布置千斤顶，便于施工中的微调。这种方法构造简单，制作、拆卸方便。⑵在墩旁加临时支架当不平衡弯矩太大，采用墩顶临时锚固不足以承受时，可在桥墩一侧或两侧设置支架，和墩顶临时固结共同承受施工不平衡弯矩。当临时支架可能出现拉力时，应设置抗拉设施。2采用支座支撑板式橡胶支座分圆形和矩形，构造简单，但吨位及容许变形量均较小，常用于中小跨径连续梁。盆式橡胶支座吨位及容许变形量较大，常用于中大跨连续梁。球冠支座允许箱梁各个方向的转动变形，但容易压裂，除实有需要的弯桥外不宜采用。球型钢支座具有盆式橡胶支座和球冠橡胶支座的优点，更加可靠，但造价稍贵。3支座的布置纵向布置：一联箱梁一般仅设置一个纵向固定支撑，上部结构纵向水平力由固定支撑处桥墩承担，但若该处桥墩不能独立承受纵向水平力时，可考虑设置多个纵向固定支撑。横向布置：⑴箱梁每个墩台位均需设置一个横向固定支座。⑵在每个墩位处，一般布置两个支座；当采用独柱墩时，可只布置一个支座，但一联桥梁至少应有一个墩台位处至少布置两个支座；当桥宽较大时，可布置两个以上支座。⑶支座横桥向布置位置对横隔梁受力状况有较大影响，一般布置在箱梁腹板附近；支座横向布置时，还应考虑支座安装、更换所需要的操作空间，以及支座处箱梁及墩顶局部受压区域的承载能力等因素，设计时应根据具体情况妥善处理。||建桥材料：混凝土强度等级一般采用C50，设计困难的，可采用C55。预应力材料钢绞线多用于纵向预应力体系、桥面板及横隔梁横向预应力体系。一般采用d=15.2mm、fpk=1860MPa、Ep=1.95e5MPa规格。精轧螺纹粗钢筋多用于竖向预应力体系及横隔梁横向预应力体系。一般采用d=25或32mm、fpk=785或930MPa、Ep=2.0e5MPa规格。锚固体系钢绞线多采用夹片式群锚体系，非张拉端也常采用H型、P型锚固体系；精轧螺纹粗钢筋多采用轧丝锚固体系。张拉机具多与锚固体系配套，常使用YDC型、YCW型、YCQ型系列千斤顶。设计时需要了解张拉机具以确保预应力工程具有足够的操作空间。成孔材料多采用预埋铁皮管、金属波纹管、塑料波纹管和抽拔橡胶管成孔。普通钢筋一般采用HRB335、R235钢筋。二、连续箱梁结构计算直线连续箱梁一般采用平面杆系分析程序计算。曲线半径小于300m或一联对应圆心角大于1弧度的连续箱梁宜按照曲线桥梁进行计算。局部受力复杂的构件宜进行有限元专题计算分析。连续箱梁计算一般包括纵向计算、横截面框架计算、横梁计算、锯齿块计算、局部受力构件计算。1纵向计算进行整体计算时，横隔板、锯齿块、检修孔、通风孔、泄水孔、通过孔、锚槽、封锚混凝土、伸缩缝槽口等构造细节一般忽略，不计入受力截面，该处截面用其附近截面代替。结构简化造成的结构恒载误差，采用永久作用的集中力荷载进行模拟。支座纵向活动的，用一个竖直约束模拟；支座纵向固定的，用一个竖直约束加一个水平约束模拟。墩梁固结：一般将与箱梁固结的桥墩带入箱梁计算模型一并计算；桥墩与基础连接端，对不同基础形式，采用不同简化方法：采用低桩承台的，将桥墩基础端固结在承台顶计算。采用高桩承台的，将桥墩基础端固结在地面（应考虑一般冲刷、局部冲刷两种情况）以下1.8/α处计算。临时约束：临时水平约束：箱梁在合拢前分为几个独立的结构体系，计算时需要为独立的结构体系增加临时的水平约束，使之为几何不变体系；应防止计算过程中独立结构体系属于几何可变体系。临时竖直约束：箱梁在施工时常采用支架或墩梁临时固结措施，计算时常采用临时竖直约束来模拟这种受力状态。对于支架约束，常采用单向受压竖直约束来模拟；对于墩梁临时固结，常采用双向受力竖直约束来模拟。2横向计算目前一般取控制截面附近单位宽度梁格（亦称为横向框架，下称梁格）进行横向平面杆系计算。桥面铺装层、防撞护栏等桥面设施无论是否与箱梁顶板固结，均不计入结构受力部分，而作为二期恒载计算。在箱梁每条腹板中心线下端的箱底位置加一个竖向约束，另加一个水平约束保证结构体系属于几何不变体系。横向计算腹板配筋的1/2可兼作主梁抗剪或抗扭箍筋。对于不同的桥梁，横隔梁的长高比变化很大。高而短的横隔梁一般只有两个支座，且支座离箱梁腹板较近，横梁一般不控制设计；固仅需按照深梁手动简化计算，按照深梁配筋设计即可。矮而长的横隔梁一般有两个或者两个以上的支座，且支座位置离箱梁腹板较远且不规则，这需要将其简化为工字梁来进行计算。工字梁的有效翼缘宽度按照《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》4.2.2条计算。工字梁的荷载主要为腹板传来得的集中力和汽车轮载。3计算荷载构件容重一般按照《公路桥涵设计通用规范》4.2.1条取值。箱梁混凝土考虑到涨模及施工误差，一般取26.25kN/m3。桥面二期恒载应包含作用在箱梁上的所有结构物的重量，如防撞护栏、桥面铺装、人行道板、人行道护栏、过桥管线等的自重；其中桥面铺装层应考虑3cm后期发展及施工误差厚度。汽车荷载应考虑荷载等级及车道荷载大小、车道数及横向折减系数、纵向折减系数、冲击系数（其中，结构竖向基频一般采用有限元软件计算；也可按照4.3.2条条文说明计算公式近似计算，计算时，可取中跨1/3跨径处截面特性）、偏载系数（不同的桥梁结构，具有不同的偏载系数，取值一般在1.05～1.30之间，宜采用可靠计算方法计算。当无可靠计算方法时，可取1.15）。人群荷载按照《公路桥涵设计通用规范》4.3.5条取值。温度荷载按照《公路桥涵设计通用规范》4.3.10条计算。整体升温中的升温度数＝最高有效温度－合拢温度。整体降温中的降温度数＝最低有效温度－合拢温度。日照正温差按照《公路桥涵设计通用规范》4.3.10条3款计算，结构类型根据实际桥面铺装类型选择。施工过程中，无桥面铺装状态时的日照温差应酌情考虑。日照反温差采用日照正温差的-0.5倍。强迫位移：纵向计算强迫位移一般由下部结构设计提供。小跨径桥梁一般取5mm，中等跨径桥梁一般取10mm，大跨径桥梁一般取20mm。横向计算中一般忽略强迫位移荷载；对于横向强迫位移不能忽略的梁格，宜选用空间有限元分析软件计算。施工临时荷载：悬臂施工的挂篮模板机具荷载在没有具体数据时，按照最重悬臂施工节段自重的0.6倍估算。桥面堆载仅在悬臂施工稳定性检算时考虑，一般按照每延米2.5kN计算。支座摩阻力按照该支座恒载竖向反力的5％计算。汽车制动力：按照《公路桥涵设计通用规范》4.3.6条计算。汽车制动力对箱梁受力影响甚小，计算箱梁受力时一般可以不计；但给下部结构计算提供上部计算基础反力时，需要考虑制动力对结构的作用。风力：施工状态平衡性检算时，需要考虑风力荷载。高墩连续刚构/V构，纵向计算时，需要考虑作用在桥墩上的顺桥向风力（按相应横桥向风力的0.7倍考虑）。预应力径向力：在横向计算、锯齿块或预应力钢束弯曲处局部计算时，需要考虑由于预应力钢筋弯曲产生的径向分力对所计算结构的影响。荷载组合按照《公路桥涵设计通用规范》4.1.5条～4.1.10条组合计算。其中结构重要性系数γ0采用1.1。三、结构计算及预应力体系设计1计算模型正确性检验纵向计算应先计算出不配置预应力钢筋的结构受力情况，观察内力图及约束反力，以判断结构计算模型的正确性。应模拟出实际结构可能出现的不利施工状态，例如对于悬臂施工的桥梁，应该模拟出这个施工状态：该节段混凝土浇筑完毕、锚固于该节段的预应力钢筋尚未张拉、挂篮尚未前移、顶板混凝土无桥面铺装受日照正温差或日照反温差的情况。应检查各状态结构约束情况，并充分把握结构简化或未纳入计算模型的因素对结构计算结果的影响。2正截面抗弯能力极限状态计算按γ0Md≤M(fd,ad)计算，其中，γ0取1.1（设计安全等级统一取一级）。计算时，需要尝试不同组合荷载项目，以得到控制设计的Md最大值。受压区、受拉区的箱梁构件（顶板、底板）一般都配有钢筋网，计算时若考虑这些普通钢筋，有时可能产生结构抗力更小等不合理现象。箱体刚性旋转成坡的，可按箱梁未旋转的状态进行检算。箱梁顶板旋转成坡的，可将顶板绕外腹板旋转回水平状态进行检算，普通钢筋、预应力钢筋可按其平均高度计算，预应力钢筋应力可按其平均应力计算。桥面铺装层一般不计入结构受力部分。3斜截面抗剪能力极限状态计算需要检算的截面位置：有条件时，可对所有计算截面进行检算；也可只检算以下截面：⒈支点横隔梁边缘处截面；⒉梁高突变处截面；⒊腹板厚度突变处截面；⒋1/4跨径处截面；⒌腹板箍筋布置方式突变处截面；⒍剪力较大区域C值范围内，下弯或弯起预应力钢筋无法覆盖或布置较少的截面。4正截面抗裂验算正截面抗裂验算计算混凝土和钢筋应力的内力时所用的弯矩值，是乘以频遇系数以后的组合弯矩值。正截面裂缝宽度控制：⒈纵向计算中，跨度大于等于100m的箱梁，按照全预应力结构设计，跨度小于100m的箱梁，可按照A类预应力结构设计。⒉横向计算、横梁计算，一般按照A类预应力构件设计。⒊不布置横向预应力钢筋的箱梁顶板、底板、横隔梁，以及不布置竖向预应力钢筋的腹板，按照普通钢筋混凝土构件设计。5斜截面抗裂验算斜截面抗裂按照《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）6.3.1条2款验算。主应力按照《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）6.3.3条计算。计算时所用的内力值，是乘以频遇系数以后的组合内力值。6其他验算：应力验算、局部受压验算。注意要点：等高度连续梁应优先布置腹板预应力钢筋，尽可能少的布置顶底板较长预应力钢筋；以减小预应力次内力对桥梁结构的不利影响。悬臂施工的变高度连续梁，腹板下弯锚固可以抵抗下弯覆盖截面的剪力，但是减小了抗弯抵抗能力，总的来说对全桥经济性没有大的影响。设计时，建议对纵、横竖向预应力钢筋、支座锚固钢筋、腹板箍筋等构造进行图纸放样，以保证预应力钢筋的布置合理。纵向预应力钢筋需要平弯的，应妥善处理平弯与腹板箍筋位置重叠的问题，以避免过分削弱腹板抗剪能力。预应力钢束锚固位置应尽量布置在靠近截面厚实部分附近，并尽量让锚固力传至全截面的区段尽量短。在悬臂板根部等预应力钢筋布置密集处，应避免孔道过多对结构局部构件产生不利影响，必要时可以加大结构局部尺寸。四、细节设计总结1定位钢筋一般呈马蹄形套在管道上，末端带有直勾，勾在管道一侧钢筋网的主要钢筋上并预以绑扎。固定预应力管道，并防止在浇筑混凝土时预应力管道上浮而呈现波形。一般采用直径10mm光圆钢筋，间距30～50cm。曲线管道处定位钢筋除具有直线管道处作用外，还有分配预应力钢筋径向力的作用，具有受力主筋性质，设计时应根据预应力钢筋径向力大小，决定定位钢筋直径及布置间距。2钢筋网拉筋是构造钢筋，用于支撑、定位钢筋网。一般采用直径10mm光圆钢筋，间距约50cm，呈梅花形布置。锚固齿块尺寸需保证锚下及张拉时千斤顶下混凝土局部承载力的需求，以及齿块与箱梁间的传力需求。锚下一般均需布置螺旋型分布钢筋必要时需要额外布置数层钢筋网片。3在支座处箱梁底预埋水平钢板，钢板上表面须完全没入梁体混凝土以保证传力均匀，钢板厚度一般约20mm，尺寸须满足梁体相对支座可能发生的位移的需求。当支座处箱梁底板高差较大，需要很厚的钢板才足以调平时，可考虑调整墩顶的支座垫石高度，或者在箱梁底部构造不同高度的契形混凝土块调平。4过人孔一般设计为矩形，并带有直线或圆弧形倒角，其尺寸大小须保证施工及检修设备和人员能够通过。一般设计在箱室中部的横隔板上（桥台处则设计在箱梁底部）。由于过人孔尺寸较大，设计时需要特别注意过人孔附近梁体受力检算。过线孔一般设计为圆形或正多边形，其尺寸须满足管线通过的需求。通风孔一般设计在箱梁腹板上，主要功能为减小箱梁内外侧大气温度差。其形状一般为直径10cm左右圆形，间距约5m。5桥面泄水孔设置在桥面较低侧，是桥面排水通道，一般采用预埋铸铁泄水孔或PVC泄水孔的措施，间距一般采用20m左右或仅在桥墩处设置。箱底泄水孔设置在箱室各个可能兜水的低处，用于