混凝土桥梁概念设计范文

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1主梁布置的选择

设计者在面对特定桥址时会面对多种桥型的选择，但当考虑所有限制因素和当地条件时，其选择就会受到很多限制。针对不同跨径主梁类型的选择，图4给出了单跨预应力混凝土桥常用桥型选择范围。双跨或三跨的跨线桥也可参照该图进行选择。当桥跨越铁路时，一般采用预制梁，这样不仅能减少对铁路的干扰，还能减少施工的风险。同样，对于小的跨河桥，预制梁能减少对河道的侵害，并且不需采用施工支架。而对于较大跨径的桥，采用箱梁更为有效。对跨铁路或是河流的更大跨径的箱梁结构，可使用顶推法施工或使用分段预制箱梁。长的多跨桥和高架桥由于美学和经济的原因其跨径常大于30m。可采用预制板梁或箱梁。图5给出了最常用的主梁选择范围。预制板梁通常用于跨径小于40m的桥，因为一旦跨径大于这个长度就需要专门的起重设备。当有深谷或其他的阻碍需要逾越时，适宜采用顶推箱梁。其预制块段可采用多样的施工方式，但当桥长大于2km时才显现出经济性。当开始构思结构类型和确定混凝土截面尺寸时，应首先在以往类似工程经验的基础上选择合适的主梁方案、横断面尺寸和混凝土的厚度。然后再进一步考虑不同的荷载、设计标准及具体场地的地质条件。对于预制板梁，承包商通常对不同类型预制板梁的跨径布置和梁间距提出指导意见。而其他类型的桥梁结构在一些论文、专业刊物上的文章和其他相关出版物中都有说明，并且互联网上也有不断搜集的论文和工程报告，从其中都能得到有用的信息资料。桥的美观、耐久及建造可行性都会影响到主梁布置和其他细节的选择。桥梁不但要造型美观还要与其周围环境相协调。耐久性常常与桥梁细节联系在一起，而不是总体结构布置的选择。由于桥梁场地条件和复杂性，施工极具挑战性，因此考虑施工能力是结构选择的主要因素。

2联结和跨径布置

当桥梁总长小于60m时，一般建成与墩台形成整体的连续桥面。这样能减少伸缩缝和支座数量并能够消除因为这些原因引起的养护问题。对于更长的桥梁结构，应按实际情况尽可能将主梁连续长度做大。混凝土箱梁建成的连续长度已达到1．7km，混凝土斜拉桥在两个伸缩缝间的连续长度已达到800m。主梁伸缩缝应设置在设有支承的桥墩或桥台上，并应考虑到达伸缩缝的各个部分的检查通道。除非有足够的工作空间能到达支座和伸缩缝检查、养护和更换，应尽量避免采用半伸缩缝连接。由于桥跨范围内设置半伸缩缝、铰接或其他的不连续点会产生由于徐变和预应力损失引起的长期变形，影响桥面线形，应予以避免。主梁和墩台间是否需要支座取决于结构形式和下部结构的刚度。顶推箱梁结构需要设置支座使顶推过程更为便利；预制节段箱梁结构需要支座来简化安装；现浇混凝土板梁可以设置支座，如果上部结构变位不会对桥墩和基础产生过大内力时，可与下部结构形成整体。位于平曲线上的桥梁设计中应注意联结问题。曲梁总是朝着有效的“固定点”伸长或者收缩，如果导向支座与上面的主梁朝向平行设置，在导向支座中会产生不同的水平荷载分布。正因为此，一些设计者更喜欢将导向支座与固定点方向一致。然而对于曲线长桥或小半径曲线桥，相对于伸缩缝的横向位移会引起一些问题。曲线桥能引起主梁结构的严重扭转和倾覆效应，这就要求支座相对于结构中心线横向偏置或主梁与下部结构连接来抵消其影响。桥跨的布置往往受制于桥址处的自然条件，但应尽可能地使桥跨的布置与推荐的上部结构类型相适应。预制梁采用相同的梁长能更好地使施工设备标准化；对于连续箱梁结构，桥墩设置应使边跨长度为相邻内跨的70％左右，以保持负弯矩和正弯矩间的平衡。主梁采用平衡悬臂法施工时，边跨长度要减少到约为相邻内跨长度的60％，以减小边墩悬臂的不平衡弯距。如果连续梁的边跨长度小于上述的建议值，边支座上就可能出现拉力，这种情况下就需要抗拉措施。最小跨径和地面以上桥面的高度取决于道路、铁路或河道的净空要求。跨径和桥面高度的比率为3时被认为是最适宜达到视觉平衡的，虽然对于特别高或特别低的桥墩来说难以实现。桥梁长度较短时，仅需数跨但要考虑跨间平衡设置，一般认为3或5跨比偶数桥跨有更好的视觉外观。

3体内或体外后张预应力

过去，体内和体外后张预应力钢束在设计、施工和耐久性方面出现了些问题。这些问题已经被弄清并且在详图设计和施工方面已经建立起一个能成功使用两种预应力体系的基础。作为总体概念设计的一部分，设计者必须在体内钢束和体外钢束间作出选择或是两者同时采用。与体内钢束相比较，体外钢束的优势在于：（1）通过取消腹板和翼板内的预应力管道简化了节段的浇筑。并使模板、架立钢筋和养生更容易。（2）不设预应力管道减少了腹板厚度，使得上部结构重量减少并节省下部结构的造价。（3）在条件许可的地方，预制节段结构可以使用干接缝，这使得主梁安装简单、快速，减少了施工费用。（4）可以到达管道的任何部分，使得安装更加简单。钢束敷设更加顺畅且不会产生体内预应力钢束遇到的管道堵塞的情况。（5）钢束布置简单。（6）因为可以直接接触管道且各钢束可各自灌浆，不会出现体内钢束漏浆或管道阻塞等问题，使得灌浆更容易。（7）减少了高强钢绞线的摩擦应力损失。（8）施工和长期养护中检查钢束更加容易。（9）钢束在需要时可以更换。（10）易于主梁升级和承载力增强设置附加钢束。与体内钢束相比较，体外钢束的不足在于：（1）体外束采用HDPE管道防护，需灌注水泥浆或填蜡，这使得预加应力体系的初期材料造价较高。（2）在控制性断面钢索偏心距减小，增加了预加力材料数量。（3）在极限抗弯条件下，体外钢索需要更多的预加应力来产生相同的抵抗力矩。（4）依赖于锚固的整体性来保持预加应力，如果某处锚固失效整个钢索也会失效。（5）锚固点和转向块承受很大的集中力，需要锚固在主梁结构中。（6）如果钢索的自由长度太长，钢索易产生振动，可能产生疲劳和腐蚀问题。（7）外露的钢索更易受到事故损环。（8）钢索、锚固点和转向块的安装、以后的检查以及钢束必要的更换等都需要较好的可到达性。体内钢束和体外钢束都会使结构坚固、有效，两者的选择常受当地需要和实际经验的影响。现在许多桥同时采用体内和体外预应力以取两者之长。

4桥梁造价

一般来说，桥跨越短每平方米桥面的造价越低。桥跨小于20m时预应力混凝土桥是不经济的，此时更适宜用普通钢筋混凝土结构。在通达受限制的情况下，例如跨越河流或铁路，预制预应力梁往往是经济的方案。桥跨越大，每平方米桥面所用的混凝土、钢筋和预应力钢材随之增加，从而引起工程造价的提高。如果有大的临时性工程也会增加总的造价。在有不良地质或为避开地下障碍，需要复杂或花费大的基础，下部结构的造价就占了总造价的大部分比例，此时最好加大跨径调整上下部结构造价的平衡。影响桥梁造价的其他因素还包括桥位及场地条件、设计、劳工费用、材料单价和场地限制等。在英国，一座典型的单跨公路跨线桥或下穿桥每平方米桥面的造价大概为850英镑，其中桥台占总造价的一大部分。一座典型跨径达20m的三跨高架桥，每平方米的造价大概为700英镑。跨径越大每平方米桥面的造价就越大。一座跨长40m的多跨跨线桥每平方米的造价大概为850英镑，而跨径70m的桥其造价增加到每平方米约1200英镑。斜拉桥每平方米的造价超过2500英镑。人行桥因其桥面面积小、桥台较高及支架费用大，每平方米桥面的造价更高。在进行桥梁概念设计时，通常要对不同主梁类型和跨径布置做造价对比。虽然桥梁美学和环境评估等因素会影响最终的方案选择，但对主梁和下部结构数量及施工费用进行估算并提出性价比最高的方案是非常重要的。对于长的多跨高架桥，选择最高性价比的最佳跨径的途径就是使桥梁上部和下部结构造价相平衡。跨径越大其上部构造数量和造价增加，但是可以通过减少下部桥墩数量来减少造价。上部结构造价一般直接与跨径成比例。下部结构的造价（用每平方米桥面的造价来表示）一般随跨径加大而减少。但采用桩基的地方，因为需要增加额外的桩来承担增加的荷载，造价曲线会出现突变点。桥梁上部和下部结构的造价可绘制如图6所示的曲线图，从而选出最佳跨径。每吨体外钢束的造价比等量体内钢束的造价高，但可以通过其他方面费用的节省予以抵消。体外钢束可以使混凝土截面尺寸，特别是腹板的厚度减小。另外，钢筋的固定和混凝土浇筑更容易些。采用体外钢束的节段施工以及逐跨架设施工的，可实现长高架桥快速组装，进而缩短了施工工期，减少了总造价。

5材料数量

对于每座桥来说，数量各不相同。桥面宽度、活载和其他因素都会影响最终的材料数量。但上部结构所用的混凝土、钢筋及预应力钢材的数量对于给定的跨长和主梁类型存在一合理的范围。在设计过程中，与以往的类似工程材料量比较，从而得出有效的桥跨布置是非常重要的。图7给出了跨径从30～150m梁典型的材料数量范围。预制节段施工容易完成较薄的断面构件，与现浇施工相比能节省混凝土数量。顶推箱梁施工出于设计需要，混凝土数量比其他施工方法稍多。预制节段梁和预制梁由于早期热效应和不均匀收缩较小，和其他施工方法相比所需纵向钢筋量较小，因而每平方米桥面所用的钢筋量较小。然而，顶推箱梁在顶推过程中要承受临时荷载和结构受力要求，需要较多的钢筋。对于预应力混凝土梁来说，预制节段梁与现浇梁相比，由于其徐变和钢束应力长期损失均较小，需要的预应力数量较少，节省了造价。顶推箱梁需要额外的预加应力来满足施工条件。如果用体外钢束代替体外钢束，由于有效抗矩减小，预加力数量有所增加。但由于摩擦损失的减小会在一定程度上有所抵消。不同的设计规范和荷载标准会较大地影响桥梁的材料数量。标准铁路荷载比公路的荷载重，这就需要更多的预加应力，而人行桥的荷载较轻，材料数量就比较少。按BS5400标准设计的桥梁会比采用AASH－TO设计的相同结构需要更多的钢筋和预加应力钢材。

作者：刘静 李睿林 单位：中交第一公路勘察设计研究院有限公司 青海省高等级公路建设管理局