关于大跨径连续刚构上部结构箱梁设计优化研究

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摘要：本文以云南省龙陵至腾冲二级公路龙川江大桥为工程背景，针对连续刚构上部结构箱梁容易出现的一些不足，如跨中下绕，箱梁裂缝较多等，结合笔者多年的桥梁建设经验，提出一些有针对性的优化建议，希望能给广大的桥梁设计者在连续刚构桥梁的设计上提供新的思路。

关键词：连续刚构；底板预应力束调平；裂缝；设计

Abstract: In this paper, in order, Longling to Tengchong, Yunnan Province, secondary roads the Longchuanjiang Bridge engineering background for continuous rigid frame superstructure box girder prone to a number of shortcomings, such as around a mid-span box girder more, combined with the author many yearsbridge construction experience of some of the specific optimization tips, and want to give the majority of the bridge designer to provide new ideas on a continuous rigid frame bridge design.

Keywords: continuous rigid frame； floor prestressed beam tune；cracks； and design

中图分类号：F540.3 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

随着我国西部大开发的深入推进及云南“桥头堡”建设的不断深入，云南省公路建设又迎来了新的高速发展时代，由于云南地处横断山脉谷区，修建公路时，经常需要在大江、大河、深沟峡谷地带修建大跨度的桥梁。连续刚构桥梁作为目前较大跨度的桥梁选型之一，具有施工较为方便，结构受力明确，行车荷载平顺等特点。但随着我国之前建设的一大批连续刚构桥梁使用时间不断增长，大量的连续刚构都暴露出来了一些不足，如跨中下绕、梁体开裂等。本文希望通过笔者多年的工作实践经验，以龙川江大桥为依托，对大跨径连续刚构上部结构箱梁设计优化进行初步探讨，以期能够通过设计阶段对结构的优化来控制连续刚构在建设和使用阶段的不足之处。

1、工程概况

龙川江大桥位于龙陵至腾冲二级公路龙陵县与腾冲县交界的龙川江上，为跨越龙川江而设，是整个路段的重点控制性工程。全桥路基宽度为12m，主桥上部构造为58+102+63m的预应力混凝土变截面箱梁连续刚构，引桥为13跨30米T型梁。箱梁底宽7m，为单箱单室断面，箱梁根部高度为8m，跨中高度为3m，采用挂篮悬臂浇筑法施工。

2、上部结构箱梁优化

2.1连续刚构桥底板索水平布置

2.1.1 底板索常规布置方法及带来的问题

在以往的连续刚构设计中由于结构受力的需要梁高均设计成变高度，常采用抛物线的渐变方式。通常底板束预应力筋均沿底板线形设置，底板存在一定的曲率。

图1 底板预应力束张拉引起的径向力示意图

底板预应力束张拉时，曲线段的张拉力会对底板产生径向力q，径向力公式为q=F/R，如图1所示。

q为钢束产生的径向分布力（KN/m）；

R为曲率半径；

F为钢束拉力（扣除孔道损失后的计算点实际张拉力）；

预应力底板束沿底板曲线布置常常会带来以下问题：

箱梁宽度较大时，会导致底板横向跨中受正弯矩、两端与腹板相接的倒角处承受负弯矩。在施工过程中常常会导致底板跨中下缘及底板与腹板交接处出现纵向开裂，如下图2所示。

图2箱梁底板预应力束张拉后横向翘曲开裂

当桥梁跨度较大时，其底板预应力束的张拉力也会很大，如果底板上下层联系筋安装焊接不牢固或混凝土浇筑质量不好，底板预应力钢筋张拉锚固过程中极易发生底板大面积起鼓或大块脱离以至发生崩裂，如下图3所示。

图3底板预应力束张拉后造成底板上下分离

在以往常规的连续刚构桥梁的设计中，设计人员在波纹管横向间距的大小上往往难以确定，其值的大小均有着不同的利弊。

从箱梁整体受力的角度分析，底板束之间的间距应该尽量采用小间距，这样可以减小底板束的平弯距离，使纵向预应力束靠近腹板布置，使得底板预应力腹板顶板的传力路径更加直接，有利于结构受力。但随之带来的问题常常是由于波纹管间距过小，孔道密集使得底板混凝土有效断面尺寸减小，导致局部抗拉能力降低，更容易造成底板拉裂，带来结构不安全；

反之如果增大底板束之间的间距，在底板张拉的时候，由于底板束更多的往底板跨中布置，使得底板在张拉时会产生更大的翘曲变形，很容易形成底板纵向裂缝。同样底板束之间距离增大也会使得预应力束的平弯距离增大，其平弯段会产生更大的径向力对结构不利。

根据对已建桥梁的运营检测，连续刚构桥梁腹板在运营中常常会出现裂缝，其箱梁腹板裂缝一般集中在L/8跨至L/4跨之间，其中距桥墩L/4附近较多，裂缝与水平方向夹角主要在20°～60°，其中跨腹板裂缝分布如下图4所示。下弯底板索张拉产生的径向力等于在桥梁施工时候变相的增加了桥梁的荷载，使得桥梁长时间的承受着自重和下弯预应力束带来的下压力，加速了混凝土的收缩徐变，对结构不利，笔者认为这也是是造成腹板出现裂缝和运营阶段跨中下绕的原因之一。

图4主跨裂缝分布图

2.1.2底板索调平在龙川江大桥的应用

底板索调平方案是在原有的箱梁结构形式上增加一道水平锚固板如下图5所示，将原沿底板布置的底板预应力束，沿着水平锚固板水平布置。

图5增加水平锚固板后桥梁纵向剖面图

底板预应力束调平后对于结构的主要优点有：a）底板预应力束的水平布置消除了预应力在张拉时产生的径向力，可以有效的防止底板的拉裂及拉崩现象，使得底板索的布置更加合理；b）底板索的水平布置使跨中部位的结构受力更加合理，底板索张拉过后能够形成约5cm左右的上拱；c）水平锚固板的存在，从受力来讲还增加了从桥墩支点到1/4跨位置箱梁的刚度，增加了其抗弯性能和抗扭性能，对抵抗桥梁腹板裂缝的产生和发展均能起到积极作用；d）通过计算分析结果，底板索调平后对运营阶段的跨中下绕的控制也是有利的。

2.2、底板预应力靠近束腹板布置

由于底板预应力钢绞线进行了水平布置，消除了常规结构产生的径向力。使得底板束可以尽量靠近腹板布置，同时还减小底板束的平弯距离，使得底板预应力腹板顶板的传力路径更加直接，预应力效率更高。

2.3顶板结构的优化

顶板作为整个箱梁结构中直接承受汽车荷载的部位，在运营阶段的地位尤为重要。根据我们对已建桥梁的运营观测结果表明，除了腹板开裂之外，箱梁顶板经常也会出现裂缝，主要表现为纵向（顺桥向）裂缝，其主要原因有两个方面：1、设计人员在设计时对行车过程中反复的疲劳荷载及可能出现的汽车超重情况难以进行充分的考虑，导致设计安全系数与实际不符。2、施工人员对钢筋、波纹管的定位不够准确，使得预应力张拉后达不到设计效果，造成结构缺陷。