随着我国交通的迅速发展,低山丘陵区公路桥梁修建日益增多,为使低山丘陵区公路桥梁设计经济、安全、耐久、美观,中小跨桥梁是其必然选择。因此,对低山丘陵区公路中小跨桥梁设计问题进行探讨,具有重要应用价值和现实意义。

1 低山丘陵区公路中小跨径桥梁上部结构比较

低山丘陵区公路桥梁常用的上部结构类型主要有简支预应力混凝土连续T 梁、先简支后连续预应力混凝土箱梁、预应力混凝土空心板。对跨径小于20m的桥梁宜采用预应力空心板；对跨径在20～40m范围的桥梁,采用T 梁或箱梁。采用已建工程的施工图设计,对T 梁和箱梁的相同标准跨径进行了经济比较[1],见表1。

表1 标准跨径装配式预应力混凝土箱梁与装配式预应力混凝土T梁的经济性比较结果

跨径(m)2025项目每片梁重(t)钢材(kg/m2)普通钢筋(kg/m2)混凝土(m3 /m2)建筑高度(m)基价比每片梁重(t)钢材(kg/m2)普通钢筋(kg/m2)混凝土(m3 /m2)建筑高度(m)基价比简支T 梁169.67111.30.4311.51.721.211.75108.70.461.72.5简支箱梁24.311.6953.50.3861.21.432.813.6553.40.411.42.0跨径(m)3040项目每片梁重(t)钢材(kg/m2)普通钢筋(kg/m2)混凝土(m3 /m2)建筑高度(m)基价比每片梁重(t)钢材(kg/m2)普通钢筋(kg/m2)混凝土(m3 /m2)建筑高度(m)基价比简支T 梁28.414.29110.20.4942.014922.16135.20.662.51简支箱梁42.315.9985.60.4341.40.9674.422.73101.00.512.00.93

从表1不难看出,跨径为20～40m时,同跨径的装配式预应力混凝土箱梁的造价明显比装配式预应力混凝土T梁低,建筑高度明显比装配式预应力混凝土T梁小,但单片预应力混凝土箱梁的梁重明显比预应力混凝土T梁重。考虑T梁吊装施工重量轻,但需要的片数多,施工安装周期长,美观性较差；与T梁比,箱梁虽然吊装重量大,但梁片数少,施工安装周期短,施工工艺成熟,景观性好,随着我国吊装设备能力的提高,吊装施工已经不是问题,在低山丘陵区公路桥梁上部结构选择时,宜优先选用预应力混凝土箱梁。

2 墩高对低山丘陵区公路中小跨预应力混凝土箱梁跨径的影响

对于低山丘陵区公路桥梁,桥梁高度一般小于40m,桥墩一般采用圆柱式或方柱式墩。对相同截面的圆柱式、方柱式柱式墩,方柱式受力性能比圆柱式好,但桩基础与柱连接需要设置桩帽,会造成工程量增加；圆柱式墩施工简单,易于控制施工质量,桩基础与柱连接简单。因此,低山丘陵区公路桥梁多采用圆柱式墩。为研究墩高对箱梁跨径的影响,根据低山丘陵区项目实际地质勘察资料,套用部颁通用图,对不同跨径箱梁的经济性进行比较,结果见表2[1]。

表2 不同墩高与跨径预应力混凝土箱梁的经济性比较结果

平均柱高(m)101520253036跨径(m)20253020253040202530402025304030403040柱径(m)1.31.41.61.41.41.61.81.61.61.61.81.61.81.8222.22.22.3桩径(m)1.51.61.81.61.61.821.81.81.821.8222.22.22.52.32.5桩长(m)31363632373845303440453235394539454545经济指标(元/m2)上部结构1196119012651196119012651528119611901265152811961190126515281265152812651528下部结构1060101110061282118012131056158914241367122319731773165615812014190126232112整体造价比1.00.981.011.101.051.101.151.241.161.171.221.401.311.301.381.451.521.721.61

结果发现：

(5)底板与顶板。底板与顶板厚度应满足普通及预应力钢筋保护层设置要求,板中厚度应不小于0.2m且不得低于箱梁净跨径的1/30。

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3 低山丘陵区公路中小跨预应力混凝土箱梁构造要求

(2)悬臂。悬臂长度应根据箱室数量、箱梁总宽确定,一般宜不超过3m,悬臂端部厚度宜为0.2m,翼缘悬臂根部厚度宜为悬臂长度的0.1～0.2,一般取0.35～0.5。悬臂长度超过2.5 m时,箱梁顶板应增加桥面板横向预应力。

(2)平均柱高36m时,箱梁跨径为40m时最为经济；平均柱高30m时,箱梁跨径为30m时最为经济；平均柱高20m、25m时,箱梁跨径为25m、30m时经济性好；平均柱高15m时,箱梁跨径为25m时最为经济；平均柱高10m时,箱梁跨径对桥梁造价影响很小。

(1)横梁。在箱梁每个墩台支点处均应设置横梁,弯箱梁的内半径不到240m时,胯间应设置横隔板,其间距由结构分析确定。中支点横梁厚度宜大于1.2m,具体厚度应根据构造要求、支座位置、是否独柱墩单支座等经计算确定[3]。边支点横梁厚度宜为0.8～1.2m。

(3)腹板。腹板的支点厚度应满足构造与截面抗剪要求,宜为0.6～ 0.8m；腹板的跨中厚度应满足普通钢筋及通长钢束的设置要求,宜为0.4～0.6m；腹板跨中与支点之间设过渡段,长度为箱梁净跨的0.125～0.2。

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(1)墩高相同时,箱梁跨径越大,上部结构造价越高,下部结构造价越低；设计箱梁方案比选时,应综合考虑墩高、跨径、地形、地质、水文等因素,选出最佳方案。

(4)跨径。低山丘陵区公路中小跨径箱梁多采用等截面连续箱梁,可等跨、不等跨布置,对长桥及顶推法施工桥梁宜采用等跨布置,如边跨与中跨因地形、地质、水文等影响不宜等跨布置时,为避免边跨支点反力过小,边、中跨之比宜控制在0.7～1.0范围内,高跨比宜控制在1/15～1/20范围内；采用斜腹板、直腹板形式。如因景观要求等要求,采用等截面连续箱梁时,宜采用不等跨布置,边、中跨之比宜控制在0.6～0.8范围内；支点高跨比宜控制在1/15～1/25范围内,跨中高跨比宜控制在1/25～1/40范围内；多采用直腹板形式。桥面宽度小于18m时,箱梁一般采用单箱单室,桥梁宽度小于25m时可采用单箱双室,在设置单箱时,若宽度超过10m,则应采用多箱。为满足箱梁内设置模板需要,箱梁梁高宜不小于1.3 m。

(6)钢束与钢筋。

①箱梁的钢束布置应考虑受力要求、构造尺寸、材料、桥梁体系、施工方法等,避免出现结构次内力,钢束任意切断而锚具使用过多,多次使用反向曲率的连续束引发摩阻损失而降低预应力效益,使用不当锚具和钢束使结构尺寸增大。一般先对预应力钢束总截面积进行估算,在由1个钢束的面积计算出钢束数量。考虑箱梁支点位置承受剪力、弯矩较大,其横隔梁配筋应计算确定。箱梁普通钢筋除腹板箍筋需计算确定外,一般按构造需要配置。横桥向、顺桥向上下缘宜配置间距0.1～0.15m的Φ12～Φ16钢筋,腹板侧面顺桥向宜配置间距0.15～0.25m的Φ10～Φ12防裂钢筋。设计中各个截面的预应力要保留足够安全储备,合理配置普通钢筋,以增加箱梁使用的耐久性,避免使用过程中发生病害隐患。

②由于正常使用极限状态中小跨预应力箱梁的主拉应力满足要求时,不能保证其斜截面抗剪强度或抗剪截面尺寸能满足要求,为避免箱梁腹板抗剪筋不够或腹板过薄而导致箱梁腹板出现斜裂缝,设计中不能采用主拉应力验算替代抗剪验算[4]。由于抗剪钢筋增大到一定值后,再增加抗剪钢筋已不会再提高箱梁的抗剪能力,反而会导致箱梁破坏时箍筋的应力达不到屈服强度,设计时应重视箱梁抗剪截面尺寸验算,不能光靠增加抗剪钢筋提高截面抗剪强度,而应考虑提高混凝土标号或增加截面尺寸来解决抗剪强度问题。

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③箱梁在设计时,底板钢束是按圆滑的曲线考虑,而施工中由于合龙高差或其他原因,钢束转向处会产生折角,折角处会出现应力集中,造成混凝土崩裂或局部剥落。为避免这种破坏发生,箱梁设计时,应根据施工实际情况,在箱梁径向增加防崩箍筋。

4 结语

预应力混凝土连续箱梁桥外形美观、经济性好、结构刚度大、抗震能力强等优点,在低山丘陵区公路中小跨桥梁设计时应优先选用。箱梁设计中应合理确定箱梁截面尺寸和跨径布置，重视普通钢筋预应力钢束合理的配置,应留有足够的预应力储备；对控制断面不能只控制主拉应力,还应重视箱梁截面的抗剪强度验算,并根据受力要求设计好箱梁底板防崩钢筋,确保箱梁结构安全和使用寿命,防止箱梁在使用过程中出现开裂等病害。

参考文献

[1] 孙健. 高速公路常规桥梁结构型式选取原则讨论[J]. 林业科技情报,2015,47(2):100-103.

[2] 矫旭飞,李涛,朱烨. 山区高速公路桥梁方案选择[J]. 山东交通科技,2014(4):45-46.

[3] 杨海科. 中小跨径预应力连续箱梁设计[J].北方交通,2008(3):106-109.

[4] 李江山. 预应力连续箱梁设计应注意的问题[J]. 公路,2002(2):4-7.