论文部分内容阅读
摘要：近年来，箱型截面连续梁因其具有较小的建筑高度、美观的外形等特点，已经成为城市中心首选的桥梁形式。本文首先介绍了箱型截面连续梁的尺寸拟定、受力特性以及内力计算过程，并通过箱型截面连续梁桥的设计，对桥的上下部结构设计计算、结构的受力进行分析，希望能为同类型的桥梁设计提供有价值的参考。
关键词：箱型截面；连续梁；受力特性；设计
0.引言
箱型截面具有结构性能良好，抗扭刚度大、能有效抵抗正负弯矩、整体性强，外形美观，便于养护，跨度能力大，能充分发挥材料强度等特点，因而箱梁桥是现代各种桥梁中广泛推广的一种桥梁体系。箱梁桥适应现代化施工方法的要求，传力结构和承重结构相结合，使部件共同受力，达到经济效果。截面效率高，适合修建曲线桥，适应性较大，并且能够很好的适应布置管线等公共设施。
1. 箱型截面连续梁桥的尺寸拟定
1.1 立面尺寸
等截面连续梁桥的梁高尺寸及其适用范围如表1。
表1 等截面连续梁梁高尺寸及其适用范围
等高度连续梁桥梁高尺寸及其适用范围如表2。
表2 连续梁在支点和跨中梁高尺寸的估算值（l>100m）
尺寸拟定
（1） 顶板
顶板作用：为箱型截面结构承受弯距的主要部位。箱梁顶板和位于腹板以外的悬臂板厚度根据表3中的经验公式确定。此外：悬臂板的跨长<5m，当跨长>3m时，需要布置横向预应力束筋；悬臂端部厚度>10cm，若悬臂端需要锚固横向预应力束筋或设置防撞墙时，端部厚度>20cm。
表3 行車道部分桥面板的厚度（cm）
顶板所在位置 垂直于行车道方向 平行于行车道方向
腹板之间 3L+11（纵肋之间） 5L+13（横隔板之间）
位于腹板外侧的悬臂板 L<0.25时，28L+16 24L+13
L>0.25时，8L+21
（2） 底板
位于墩顶的底板厚度根据经验公式拟定：①墩顶梁高的（1/10～1/12）H支；②主跨跨长的（1/120～1/170）L。跨中区段的底板厚度一般为0.22～0.28m，具体按照布置预应力束筋的构造要求确定。
（3）腹板
腹板作用：箱梁腹板的功能主要是承受结构的扭转剪应力与弯曲剪应力所引起的主拉应力。根据预应力筋的布置和混凝土浇筑的要求，由以下设计经验确定腹板的最小厚度：①有预应力束筋管道布置时，最小厚度为25～30cm；②无预应力束筋管道布置时，最小厚度为20cm；③有预应力束筋锚固时，则其最小厚度为35cm；④靠近桥墩的箱梁根部腹板厚度为30～60cm，根据不同要求，有时可达100cm。
（4）横隔板
横隔板作用：增加截面的横向刚度，减小畸变应力；在支承处承受和分散较大支承反应力的作用。横隔板一般设置在支点处和跨中部位。跨中部位的横隔板厚度一般为15～20cm，支点处的一般为40～60cm。为方便施工和养护人员进出，横隔板应开孔。
2. 箱型截面受力特性
箱型梁承受的荷载主要是恒载和活载。恒载是对称作用的，活载既可以是对称作用，又可以是偏心作用。箱梁在偏心荷载作用下，既产生对称弯曲，又产生扭转，因此，通常利用偏心荷载来综合分析作用于箱梁的外力结构。箱梁在偏心荷载作用下的变形分为四种状态：横向弯曲、纵向弯曲、扭转、畸变。
纵向弯曲横截面上引起纵向正应力及剪切力。对于肋距较大的箱型梁，翼板中剪力滞后，应力分布不均匀，近肋处翼板应力达到高峰，远肋处应力很小，出现“剪力滞效应”。所以，对于肋距较大的宽型箱梁，这种应力高峰会导致很大的安全隐患，必须引起重视。
箱梁的扭转指刚性扭转，受扭时箱形的周边不变形，其主要特征是扭转角。箱梁扭转分为约束扭转和自由扭转。自由扭转是指箱梁受扭时，截面各纤维纵向自由变形，杆件断面纵向纤维自由翘曲，不产生纵向正应力，只产生自由扭转剪切力。约束扭转是指当受扭时纵向纤维变形不自由，受到拉伸或压缩，截面不能自由翘曲，在截面上产生翘曲正应力和约束扭转剪应力。
畸变的主要特征是畸变角。箱梁的矩形截面受扭变形后，截面的投影不再为矩形，过程中产生翘曲正应力、畸变剪切力和横向弯曲应力。
3. 箱型截面连续梁内力计算步骤
3.1 恒载内力计算：常见的施工方法有逐孔施工法、悬臂施工法、顶推施工法和支架施工法，结构恒载内力要根据施工方的计算图来计算。当采用前三种施工方法的桥梁结构，内力的计算依据是每个施工阶段图，然后依次叠加，叠加到整个结构完成时，最后进行体系的转换计算；当采用支架施工法时，连续梁桥结构可以按成桥结构图进行分析。
3.2 汽车荷载内力计算：汽车荷载包括汽车和人群荷载等。汽车荷载作用下的截面内力按一般公式计算。其中，按现行《通用规范》中的规定确定有关汽车荷载的冲击系数。
3.3 结构次应力计算：连续梁桥的结构次内力计算内容包括混凝土连续梁徐变引起的次内力、预应力引起的次内力、连续梁由温度引起的次内力等、连续梁基础沉降引起的次内力。
3.4 荷载组合：按现行《通用规范》进行荷载组合。
3.5 截面应力验算：根据《通用规范》中验算公式及方法进行截面应力验算，包括正应力验算和剪应力验算两部分。
3.6 挠度及预拱度计算：根据《通用规范》计算公式进行恒载挠度及不计冲击系数的汽车荷载挠度计算。
4. 工程实例
4.1 设计要求
某城市主干道I级公路，桥面净宽12.25m，要求设计安全等级为二级，桥面设计车速为80Km/h,最大坡度为4%，地震裂度为7。
4.2 箱梁设计
根据主线立交设置，桥梁的上部结构采用2×35m现浇法、等高度预应力钢筋混泥土连续钢梁，单箱双室，梁的高度为1.80m，为跨径的1/17。箱梁的顶板宽12.30m、底板宽8.30m，悬臂长度为2.0m，箱梁顶面设置2%坡度。箱梁桥的横断面示意如图2。
图2 箱梁典型横断面示意图
4.2.1 箱梁截面主要结构的尺寸设计
(1)顶板和底板：顶板厚度为27crn，近支点2.0m处开始渐变加厚，支点处厚40cm；底板厚度为27cm，近支点5.0m处开始渐变加厚，支点处厚40cm。
(2)腹板：跨中腹板的厚度取50cm；腹板在支点处的厚度根据现行《通用规范》的规定，设计距离支点5m长度范围内渐变加厚，中部支点处腹板厚度取70cm，边支点处腹板厚度为80cm。
(3)横隔板：设计尺寸：根据现行《通用规范》的规定计算分析，中横梁取160cm，边横梁取120cm，不设置跨间横隔板。
(4)承托：设计尺寸：桥顶板的承托采用25×100cm，底板的承托采用25×25cm。
(5)悬臂：设计尺寸：悬臂长度为2.0m，悬臂高度为18cm，悬臂根部为45cm。
4.2.2箱梁配筋
主筋是沿桥垮方向的预应力筋，其数量和布置根据结构在使用阶段的受力状态确定。本桥根据结构受力需要，梁体仅采用纵向预应力。纵向钢束为高强度低松弛钢绞线，直径为15.20mm，面积139mm2，标准强度为1860MPa。
4.3 结构计算
4.3.1 上部结构计算分析
采用“桥梁博士V3.1.0”进行计算，根据现行《通用规范》的要求，对各阶段内力、形变进行计算分析，合理布置预应力，将所有阶段各截面受力控制在规定的安全范围内。根据规定，桥梁各主要控制截面计算结果见表4—表6。
表4承载能力极限状态控制截面的抗弯能力（单位: kN•m）
表5正常使用极限状态控制截面正应力（单位：Mpa）
表6正常使用極限状态控制截面文联应力（单位：Mpa）
根据规范，计算采用A类预应力混凝土现浇构件C50混凝土截面，组合应力上限为:
正应力：σcc≤0.5fck= 16.2MPa；σcc≤0.5fck = 1.855MPa
主应力：σcp≤0.5ftk = 19.44MPa；σtp≤0.5ftk = 1.325MPa
计算结果表明该设计是安全的。
4.3.2上部结构横向计算分析
梁桥为箱形截面，支撑在腹板底的横向框架是横向计算进行计算分析的基础。按纵向长度为1.0m将箱梁结构分散成47个小单元（见图3），每一个为计算单元，利用“桥梁博士V3.1.0”进行计算。
图3 箱梁横向计算结构离散示意图
表7和表8列出了根据横向计算合理布置力筋后主要控制截面裂缝与抗弯强度。结果表明，箱梁横向设计是安全的。
表7 控制截面裂缝（单位：mm）
表8 控制截面抗弯能力（单位:kN•m）
4.4下部结构计算分析
本桥桥墩采用双柱式墩，柱径为1.40m，柱间间距为6.80m，柱顶设置一个橡胶支座。桥墩基础采用桩柱连接的钻孔灌注桩，桩径1.60m，桩长度范围为32-36m；在墩顶设置横系梁，高为1.20m，宽为1.0m。
5 结语
预应力连续箱梁因其具有较小的建筑高度、美观的外形等特点，成为应用十分普遍的一种桥梁型式。本文通过对该桥的设计，从该桥的上下部结构设计特点、结构的受力分析，对施工这一类型的桥梁应当有一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 范立础.预应力混凝土连续粱桥[M].北京:人民交通出版社， 2001.6
[2] 吴新强．连续梁桥预应力设计研究[D] .合肥：合肥工业大学，2007
[3] 金凤温．连续刚构桥纵向预应力筋优化设计研究[D] .上海：上海交通大学，2005
[4]贺栓海，谢仁物．公路桥梁荷载横向分布计算方法[A]．北京：人民交通出版社， 2006
[5] 赵云鹏. 现浇预应力混凝土连续箱梁桥设计[J]. 北 方 交 通,2008(4):139-140
[6]JTGD60--2004，公路桥涵设计通用规范[S].
[7]JTGD62--2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：箱型截面；连续梁；受力特性；设计
0.引言
箱型截面具有结构性能良好，抗扭刚度大、能有效抵抗正负弯矩、整体性强，外形美观，便于养护，跨度能力大，能充分发挥材料强度等特点，因而箱梁桥是现代各种桥梁中广泛推广的一种桥梁体系。箱梁桥适应现代化施工方法的要求，传力结构和承重结构相结合，使部件共同受力，达到经济效果。截面效率高，适合修建曲线桥，适应性较大，并且能够很好的适应布置管线等公共设施。
1. 箱型截面连续梁桥的尺寸拟定
1.1 立面尺寸
等截面连续梁桥的梁高尺寸及其适用范围如表1。
表1 等截面连续梁梁高尺寸及其适用范围
等高度连续梁桥梁高尺寸及其适用范围如表2。
表2 连续梁在支点和跨中梁高尺寸的估算值（l>100m）
尺寸拟定
（1） 顶板
顶板作用：为箱型截面结构承受弯距的主要部位。箱梁顶板和位于腹板以外的悬臂板厚度根据表3中的经验公式确定。此外：悬臂板的跨长<5m，当跨长>3m时，需要布置横向预应力束筋；悬臂端部厚度>10cm，若悬臂端需要锚固横向预应力束筋或设置防撞墙时，端部厚度>20cm。
表3 行車道部分桥面板的厚度（cm）
顶板所在位置 垂直于行车道方向 平行于行车道方向
腹板之间 3L+11（纵肋之间） 5L+13（横隔板之间）
位于腹板外侧的悬臂板 L<0.25时，28L+16 24L+13
L>0.25时，8L+21
（2） 底板
位于墩顶的底板厚度根据经验公式拟定：①墩顶梁高的（1/10～1/12）H支；②主跨跨长的（1/120～1/170）L。跨中区段的底板厚度一般为0.22～0.28m，具体按照布置预应力束筋的构造要求确定。
（3）腹板
腹板作用：箱梁腹板的功能主要是承受结构的扭转剪应力与弯曲剪应力所引起的主拉应力。根据预应力筋的布置和混凝土浇筑的要求，由以下设计经验确定腹板的最小厚度：①有预应力束筋管道布置时，最小厚度为25～30cm；②无预应力束筋管道布置时，最小厚度为20cm；③有预应力束筋锚固时，则其最小厚度为35cm；④靠近桥墩的箱梁根部腹板厚度为30～60cm，根据不同要求，有时可达100cm。
（4）横隔板
横隔板作用：增加截面的横向刚度，减小畸变应力；在支承处承受和分散较大支承反应力的作用。横隔板一般设置在支点处和跨中部位。跨中部位的横隔板厚度一般为15～20cm，支点处的一般为40～60cm。为方便施工和养护人员进出，横隔板应开孔。
2. 箱型截面受力特性
箱型梁承受的荷载主要是恒载和活载。恒载是对称作用的，活载既可以是对称作用，又可以是偏心作用。箱梁在偏心荷载作用下，既产生对称弯曲，又产生扭转，因此，通常利用偏心荷载来综合分析作用于箱梁的外力结构。箱梁在偏心荷载作用下的变形分为四种状态：横向弯曲、纵向弯曲、扭转、畸变。
纵向弯曲横截面上引起纵向正应力及剪切力。对于肋距较大的箱型梁，翼板中剪力滞后，应力分布不均匀，近肋处翼板应力达到高峰，远肋处应力很小，出现“剪力滞效应”。所以，对于肋距较大的宽型箱梁，这种应力高峰会导致很大的安全隐患，必须引起重视。
箱梁的扭转指刚性扭转，受扭时箱形的周边不变形，其主要特征是扭转角。箱梁扭转分为约束扭转和自由扭转。自由扭转是指箱梁受扭时，截面各纤维纵向自由变形，杆件断面纵向纤维自由翘曲，不产生纵向正应力，只产生自由扭转剪切力。约束扭转是指当受扭时纵向纤维变形不自由，受到拉伸或压缩，截面不能自由翘曲，在截面上产生翘曲正应力和约束扭转剪应力。
畸变的主要特征是畸变角。箱梁的矩形截面受扭变形后，截面的投影不再为矩形，过程中产生翘曲正应力、畸变剪切力和横向弯曲应力。
3. 箱型截面连续梁内力计算步骤
3.1 恒载内力计算：常见的施工方法有逐孔施工法、悬臂施工法、顶推施工法和支架施工法，结构恒载内力要根据施工方的计算图来计算。当采用前三种施工方法的桥梁结构，内力的计算依据是每个施工阶段图，然后依次叠加，叠加到整个结构完成时，最后进行体系的转换计算；当采用支架施工法时，连续梁桥结构可以按成桥结构图进行分析。
3.2 汽车荷载内力计算：汽车荷载包括汽车和人群荷载等。汽车荷载作用下的截面内力按一般公式计算。其中，按现行《通用规范》中的规定确定有关汽车荷载的冲击系数。
3.3 结构次应力计算：连续梁桥的结构次内力计算内容包括混凝土连续梁徐变引起的次内力、预应力引起的次内力、连续梁由温度引起的次内力等、连续梁基础沉降引起的次内力。
3.4 荷载组合：按现行《通用规范》进行荷载组合。
3.5 截面应力验算：根据《通用规范》中验算公式及方法进行截面应力验算，包括正应力验算和剪应力验算两部分。
3.6 挠度及预拱度计算：根据《通用规范》计算公式进行恒载挠度及不计冲击系数的汽车荷载挠度计算。
4. 工程实例
4.1 设计要求
某城市主干道I级公路，桥面净宽12.25m，要求设计安全等级为二级，桥面设计车速为80Km/h,最大坡度为4%，地震裂度为7。
4.2 箱梁设计
根据主线立交设置，桥梁的上部结构采用2×35m现浇法、等高度预应力钢筋混泥土连续钢梁，单箱双室，梁的高度为1.80m，为跨径的1/17。箱梁的顶板宽12.30m、底板宽8.30m，悬臂长度为2.0m，箱梁顶面设置2%坡度。箱梁桥的横断面示意如图2。
图2 箱梁典型横断面示意图
4.2.1 箱梁截面主要结构的尺寸设计
(1)顶板和底板：顶板厚度为27crn，近支点2.0m处开始渐变加厚，支点处厚40cm；底板厚度为27cm，近支点5.0m处开始渐变加厚，支点处厚40cm。
(2)腹板：跨中腹板的厚度取50cm；腹板在支点处的厚度根据现行《通用规范》的规定，设计距离支点5m长度范围内渐变加厚，中部支点处腹板厚度取70cm，边支点处腹板厚度为80cm。
(3)横隔板：设计尺寸：根据现行《通用规范》的规定计算分析，中横梁取160cm，边横梁取120cm，不设置跨间横隔板。
(4)承托：设计尺寸：桥顶板的承托采用25×100cm，底板的承托采用25×25cm。
(5)悬臂：设计尺寸：悬臂长度为2.0m，悬臂高度为18cm，悬臂根部为45cm。
4.2.2箱梁配筋
主筋是沿桥垮方向的预应力筋，其数量和布置根据结构在使用阶段的受力状态确定。本桥根据结构受力需要，梁体仅采用纵向预应力。纵向钢束为高强度低松弛钢绞线，直径为15.20mm，面积139mm2，标准强度为1860MPa。
4.3 结构计算
4.3.1 上部结构计算分析
采用“桥梁博士V3.1.0”进行计算，根据现行《通用规范》的要求，对各阶段内力、形变进行计算分析，合理布置预应力，将所有阶段各截面受力控制在规定的安全范围内。根据规定，桥梁各主要控制截面计算结果见表4—表6。
表4承载能力极限状态控制截面的抗弯能力（单位: kN•m）
表5正常使用极限状态控制截面正应力（单位：Mpa）
表6正常使用極限状态控制截面文联应力（单位：Mpa）
根据规范，计算采用A类预应力混凝土现浇构件C50混凝土截面，组合应力上限为:
正应力：σcc≤0.5fck= 16.2MPa；σcc≤0.5fck = 1.855MPa
主应力：σcp≤0.5ftk = 19.44MPa；σtp≤0.5ftk = 1.325MPa
计算结果表明该设计是安全的。
4.3.2上部结构横向计算分析
梁桥为箱形截面，支撑在腹板底的横向框架是横向计算进行计算分析的基础。按纵向长度为1.0m将箱梁结构分散成47个小单元（见图3），每一个为计算单元，利用“桥梁博士V3.1.0”进行计算。
图3 箱梁横向计算结构离散示意图
表7和表8列出了根据横向计算合理布置力筋后主要控制截面裂缝与抗弯强度。结果表明，箱梁横向设计是安全的。
表7 控制截面裂缝（单位：mm）
表8 控制截面抗弯能力（单位:kN•m）
4.4下部结构计算分析
本桥桥墩采用双柱式墩，柱径为1.40m，柱间间距为6.80m，柱顶设置一个橡胶支座。桥墩基础采用桩柱连接的钻孔灌注桩，桩径1.60m，桩长度范围为32-36m；在墩顶设置横系梁，高为1.20m，宽为1.0m。
5 结语
预应力连续箱梁因其具有较小的建筑高度、美观的外形等特点，成为应用十分普遍的一种桥梁型式。本文通过对该桥的设计，从该桥的上下部结构设计特点、结构的受力分析，对施工这一类型的桥梁应当有一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 范立础.预应力混凝土连续粱桥[M].北京:人民交通出版社， 2001.6
[2] 吴新强．连续梁桥预应力设计研究[D] .合肥：合肥工业大学，2007
[3] 金凤温．连续刚构桥纵向预应力筋优化设计研究[D] .上海：上海交通大学，2005
[4]贺栓海，谢仁物．公路桥梁荷载横向分布计算方法[A]．北京：人民交通出版社， 2006
[5] 赵云鹏. 现浇预应力混凝土连续箱梁桥设计[J]. 北 方 交 通,2008(4):139-140
[6]JTGD60--2004，公路桥涵设计通用规范[S].
[7]JTGD62--2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。