繆國平

（江西贛北公路勘察設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000）

0 引言

對(duì)于簡支橋梁而言，它屬于一種靜定結(jié)構(gòu)，簡支橋梁的受力模式是通過相鄰橋跨實(shí)現(xiàn)單獨(dú)受力的，同時(shí)此類橋梁支座變位橋梁產(chǎn)生的受力作用比較小，加上簡支橋梁能在各種地質(zhì)區(qū)域適用，故而在橋梁工程建設(shè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。但是在設(shè)計(jì)的過程中由于簡支橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)要求非常高，故而需要明確簡支橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從而給橋梁項(xiàng)目建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 簡支橋梁主要結(jié)構(gòu)

1.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)

簡支梁的上部結(jié)構(gòu)一般是橋跨結(jié)構(gòu)，其目的是跨越山川、河流，保持車輛正常通行，同時(shí)承受上部車輛作用荷載，并將荷載傳輸?shù)綐蛄合虏拷Y(jié)構(gòu)上。因此，提高簡支梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，是保障交通正常通行的關(guān)鍵性措施，也是推動(dòng)交通事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

1.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)

橋梁下部結(jié)構(gòu)是指基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，比如橋墩、橋臺(tái)等。這些部位可以有效地支撐上部結(jié)構(gòu)，還能將橋跨結(jié)構(gòu)受到的荷載傳輸?shù)狡渌Y(jié)構(gòu)中。橋臺(tái)結(jié)構(gòu)安裝在橋梁兩端，除了能夠支撐橋跨位置，還可以穩(wěn)定連接道路和橋梁。橋墩結(jié)構(gòu)通常安裝在橋臺(tái)中間以及橋跨的下部，要結(jié)合現(xiàn)場情況確定最佳的橋墩數(shù)量，做出合理規(guī)劃設(shè)計(jì)。

如果現(xiàn)場條件允許，或者設(shè)計(jì)方案有要求，可以不設(shè)置橋墩。在橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，橋梁墩臺(tái)是目前非常重要的下部連接結(jié)構(gòu)，也是簡支梁橋的關(guān)鍵性承載結(jié)構(gòu)，其施工工藝復(fù)雜、難度高，并且該結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)橋梁的安全性有直接的影響。

1.3 橋梁支座結(jié)構(gòu)

橋梁支座是必不可少的組成結(jié)構(gòu)，將其布置在橋梁墩臺(tái)和橋跨之間，將橋跨和橋梁墩臺(tái)連接起來，還應(yīng)滿足橋跨的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。除這些結(jié)構(gòu)外，簡支梁橋還有伸縮縫、橋頭搭板、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)等，這些都是保障簡支梁橋穩(wěn)定性、安全性的關(guān)鍵，是提升橋梁質(zhì)量的核心結(jié)構(gòu)部件。

2 簡支橋梁設(shè)計(jì)的基本要求

2.1 橋梁使用方面

對(duì)于橋梁工程來說，其承載性能關(guān)系到安全性和穩(wěn)定性，對(duì)提高交通通行安全性有重要的意義。在橋梁使用的過程中，必須滿足車輛、行人的通行需要，并根據(jù)現(xiàn)場交通條件確定最佳橋面寬度數(shù)據(jù)信息，還要達(dá)到安全、排水效果要求。

2.2 橋梁設(shè)計(jì)方面

設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合實(shí)際需要確定設(shè)計(jì)理念和方法，從而保證簡支梁橋的安全。同時(shí)，還應(yīng)確定最佳的材料、設(shè)備及工藝，滿足橋梁使用標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場施工可以順利進(jìn)行。在設(shè)計(jì)之前，要明確具體的設(shè)計(jì)要求，加強(qiáng)施工進(jìn)度管理和控制，達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

2.3 經(jīng)濟(jì)方面

在簡支梁橋的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)方面是不得不考慮的因素。第一，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，分析各方面因素，明確經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等措施，將項(xiàng)目建設(shè)的成本控制在合理范圍內(nèi)，防止發(fā)生超預(yù)算的問題。第二，對(duì)橋梁施工作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境展開全面調(diào)查，如交通環(huán)境、自然環(huán)境等要素。分析現(xiàn)場環(huán)境，結(jié)合實(shí)際情況制定出合理的環(huán)境保護(hù)措施和方案，從而降低噪聲污染的影響，實(shí)現(xiàn)成本降低。施工單位應(yīng)制定完善的環(huán)境監(jiān)測(cè)方案和體系，落實(shí)各項(xiàng)環(huán)保處理措施，并且有針對(duì)性地采取處理措施，減少橋梁施工環(huán)節(jié)對(duì)交通、自然環(huán)境造成的負(fù)面影響。

加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)方面的分析和控制，能提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，但必須在確保質(zhì)量、安全的前提下進(jìn)行，才能實(shí)現(xiàn)綜合效益的提升。

2.4 美觀方面

在現(xiàn)代社會(huì)高速發(fā)展的大背景下，人們生活水平日益提高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，對(duì)美好的事物有強(qiáng)烈的渴望。在橋梁設(shè)計(jì)中，簡支梁橋梁達(dá)到美觀性要求，并不是指設(shè)計(jì)人員要選擇夸張、奢華的裝飾形式，簡單、淳樸的設(shè)計(jì)更能創(chuàng)造獨(dú)特的美學(xué)感受。在橋梁工程中，美觀性就是讓橋梁和周邊環(huán)境有效融合，人們能夠感受到韻律性、和諧感，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)材料、色彩的合理搭配使用，使人產(chǎn)生清爽、舒適的感覺。需要注意的是，追求橋梁的美觀性是在保證功能、質(zhì)量、安全為前提下進(jìn)行的。

3 工程概況

該橋梁項(xiàng)目是當(dāng)?shù)氐闹匾缃こ?，采取空心墩設(shè)計(jì)形式，平均墩高超過50m，面臨著大風(fēng)等惡劣天氣的影響。經(jīng)過綜合分析，該橋梁不適宜橋下作業(yè)施工，不能安裝支架輔助，且墩高較高時(shí)，受架設(shè)設(shè)備不便及結(jié)構(gòu)跨度等方面干擾，使用32m 的簡支梁經(jīng)濟(jì)性較差。經(jīng)過設(shè)計(jì)人員綜合分析，確定使用48m 節(jié)段預(yù)制膠拼裝簡支箱梁。梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)用單箱、單室等高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，施工材料為C60 混凝土。按照設(shè)計(jì)方案的要求，頂寬12.2m，底寬6.2m，梁高4.2m。 跨中截面頂部厚度32cm，底板結(jié)構(gòu)厚度35cm，腹板結(jié)構(gòu)厚度50cm。根據(jù)需要，計(jì)算分析各項(xiàng)參數(shù)，確定底板、腹板厚度，適當(dāng)增加厚度，并且在支點(diǎn)周邊布置預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，保證達(dá)到正常使用的標(biāo)準(zhǔn)。

4 設(shè)計(jì)分析

4.1 預(yù)制梁段劃分

按照設(shè)計(jì)人員計(jì)算結(jié)論，確定簡支箱梁跨度尺寸為46.9m。根據(jù)支座重量、預(yù)應(yīng)力張拉千斤頂使用空間、造橋機(jī)構(gòu)造尺寸等因素，梁體長度確定為49.1m。預(yù)制箱梁結(jié)構(gòu)部分，梁段重量不超過2000kN，還要確保每跨箱梁支座為奇數(shù)塊，防止存在跨中設(shè)置接縫的情況，并對(duì)稱布置，所以48m 簡支梁預(yù)制段按照4.8m、4.3m、3.4m 三種規(guī)格設(shè)計(jì)，總計(jì)11 個(gè)階段，10 個(gè)接縫。

4.2 預(yù)應(yīng)力體系及鋼束布置

在箱梁設(shè)計(jì)中，按照要求布置縱向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。箱梁的腹板、底板結(jié)構(gòu)在施工中，選擇使用直徑規(guī)格為7Ф～15Ф 大小鋼絞線，抗壓強(qiáng)度為1860MPa。

4.3 箱梁結(jié)構(gòu)靜力分析計(jì)算

4.3.1 計(jì)算理論

簡支箱梁的設(shè)計(jì)應(yīng)用MIDAS/Civil 軟件模擬分析，按照縱向全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)分析?，F(xiàn)場施工中，應(yīng)按照分段吊梁、永久預(yù)應(yīng)力張拉、二期恒載、10年收縮徐變4 個(gè)階段進(jìn)行。此次有限元模型如圖1 所示。

圖1 簡支箱梁有限元模型

4.3.2 荷載組合

按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇兩種荷載組合方式，即主力和主力+附加力兩種工況，開展結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)算和分析，得出數(shù)據(jù)分析結(jié)論，為后續(xù)工作提供指導(dǎo)性作用。

4.3.3 檢算結(jié)果

主力和主力+附加力兩種工況下，MIDAS/Civil有限元模型分析結(jié)果如表1 所示。

表1 荷載工況應(yīng)力總匯表（kN/m）

應(yīng)力種類荷載組合主力主力+附加力上緣正應(yīng)力最大12.39 16.0最小4.1 8.3下緣正應(yīng)力最大12.2 12.6最小4.4 0.9剪應(yīng)力最大2.5 2.5

5 永久預(yù)應(yīng)力張拉及松吊掛匹配技術(shù)研究

5.1 研究概況

節(jié)段預(yù)制拼裝環(huán)節(jié)中，將吊桿拆除作業(yè)前，如果張拉預(yù)應(yīng)力比較小，拆除后極易引發(fā)事故，如果張拉預(yù)應(yīng)力比較大，因?yàn)榧軜驒C(jī)的剛度不如橋梁結(jié)構(gòu)大，預(yù)應(yīng)力張拉施工中，橋梁上拱量相對(duì)小，所以容易出現(xiàn)吊桿力無法全部卸載的情況，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂的問題，對(duì)橋梁的耐久性、正常運(yùn)營帶來很大的影響。

懸吊環(huán)節(jié)中，吊桿受預(yù)應(yīng)力影響，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜性較高，拆除吊桿應(yīng)選擇合適時(shí)機(jī)，并且加強(qiáng)張拉施工順序控制，這樣才能符合工程的要求。技術(shù)人員針對(duì)48m 階段拼裝簡支梁張拉力、吊掛匹配技術(shù)進(jìn)行深入分析，確定如下要求：

第一，拆除還未拆除吊桿時(shí)，要嚴(yán)格控制截面上緣應(yīng)力。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)自重是吊桿承擔(dān)的，如果不分析確定張拉預(yù)應(yīng)力，那么橋梁上拱之后所造成的架橋機(jī)卸載自重是通過預(yù)應(yīng)力承擔(dān)的。這種條件下需要對(duì)預(yù)應(yīng)力對(duì)橋梁應(yīng)力影響分析，而后按照要求工藝開展張拉作業(yè)，如此才能夠?qū)㈩A(yù)應(yīng)力鋼絞線持續(xù)作用發(fā)揮出來。同時(shí)，在施工的過程中若結(jié)構(gòu)應(yīng)力沒有能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，則需要明確相應(yīng)的張拉量參數(shù)。此外，在施工環(huán)節(jié)還需要分析梁體結(jié)構(gòu)上拱所造成的應(yīng)力，在張拉時(shí)需要嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn)做好截面上緣應(yīng)力控制，如此才能確定拆除吊桿之前的最大預(yù)應(yīng)力張拉量，確保結(jié)構(gòu)安全性。

第二，吊桿拆除作業(yè)后，應(yīng)確保結(jié)構(gòu)完全達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。按照張拉工藝順序逐步進(jìn)行張拉施工，不需要再了解其支撐性能的要求，簡支梁受到自重、預(yù)應(yīng)力同時(shí)作用，為保證截面強(qiáng)度性能，還要使下緣沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。該準(zhǔn)則的應(yīng)用目的是了解吊桿拆除前最小預(yù)應(yīng)力束張拉。

5.2 簡化計(jì)算分析方法

5.2.1 有效預(yù)應(yīng)力計(jì)算分析

以設(shè)計(jì)規(guī)范為出發(fā)點(diǎn)，綜合分析預(yù)應(yīng)力參數(shù)，確定每束預(yù)應(yīng)力直接引起的簡支梁上緣應(yīng)力σ和下緣應(yīng)力σ。

5.2.2 自重作用的上下緣應(yīng)力分析

計(jì)算簡支梁自重，再將該自重除以橋梁跨徑，即得出近似的均布荷載參數(shù)。此次橋梁項(xiàng)目中的自重荷載分布為g=321.26kN/m，然后計(jì)算跨中彎矩M 自重=92522.01kN/m。根據(jù)上下緣應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出上下緣應(yīng)力分別σ=6072.979kPa、σ=-9568.95kPa（“-”代表下緣受拉）。

5.2.3 準(zhǔn)則自重效應(yīng)分析

因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力張拉施工中，橋梁結(jié)構(gòu)的自重是通過架橋機(jī)吊桿和張拉鋼絞線共同承載的，所以在計(jì)算上下緣應(yīng)力時(shí)，還應(yīng)分析確定張拉預(yù)應(yīng)力過程中，簡支梁結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的影響。目前通用的方法是利用橋梁跨中上拱量和架橋機(jī)撓度比值，分析確定簡支梁自重是否是通過預(yù)應(yīng)力承載的。

6 簡支橋梁設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

6.1 計(jì)算環(huán)節(jié)

設(shè)計(jì)人員在分析設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理確定橋梁設(shè)計(jì)方案，分析其可行性參數(shù)。首先，按照橋梁正常使用壽命、現(xiàn)場環(huán)境確定設(shè)計(jì)方案，再計(jì)算受力條件，得出各個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)部分的數(shù)據(jù)信息。其次，技術(shù)人員按照橋梁結(jié)構(gòu)尺寸，確定橋梁的車道板、主梁、橋梁制作及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的計(jì)算，主要包括剛度和穩(wěn)定性方面分析，然后通過計(jì)算分析的結(jié)論反向推定開始假設(shè)的橋梁結(jié)構(gòu)尺寸是否合理。如果發(fā)現(xiàn)假設(shè)的橋梁結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)未能通過驗(yàn)證，則要重新確定，并且再次驗(yàn)算分析，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

6.2 常見錯(cuò)誤和缺陷

簡支橋梁在正常的使用過程中，容易發(fā)生蜂窩、空洞、表層脫落等問題，具體分析如下：

一是橋面蜂窩，多數(shù)是由于在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)鋼筋設(shè)置的密度過高或者混凝土材料內(nèi)的粗骨料粒徑過大所造成的。二是橋梁空洞，發(fā)生原因多數(shù)是因?yàn)樵O(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的鋼筋選擇不當(dāng)，或者在施工時(shí)振搗不到位，還有可能是漏漿的問題。三是裂縫問題，很多橋梁經(jīng)過長期的運(yùn)營都會(huì)發(fā)生裂縫的問題，一般包含網(wǎng)狀裂縫、下緣受拉裂縫、斜向裂縫等，以溫度變化、荷載作用形成的裂縫為主。裂縫的形成，一方面是因?yàn)榛炷恋呐浜媳葏?shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，另一方面是因?yàn)闃蛄洪L期運(yùn)營中受到外部作用力的持續(xù)影響，從而誘發(fā)裂縫的危害。四是伸縮縫病害，簡支梁的伸縮縫是極為重要的結(jié)構(gòu)，因設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致伸縮縫存在病害問題，極易造成結(jié)構(gòu)端部剛度性能不足，或者錨固部件出現(xiàn)問題。個(gè)別設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)掌握不夠牢固，沒有綜合分析各個(gè)方面的要素，造成伸縮縫性能不合格，從而引發(fā)嚴(yán)重的質(zhì)量問題。有些橋梁設(shè)計(jì)方案的缺陷，引發(fā)伸縮縫的病害問題，危害橋梁功能，產(chǎn)生的負(fù)面作用是巨大的。因此，設(shè)計(jì)人員針對(duì)上述的缺陷問題，規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)水平，為簡支梁橋的正常使用奠定基礎(chǔ)。

6.3 加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)

我國很多地區(qū)是地震多發(fā)帶，所以加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員都應(yīng)掌握的技能，以提升橋梁使用的穩(wěn)定性和安全性。不同地區(qū)地震發(fā)生率不同，地震強(qiáng)度也有差異，應(yīng)考慮不同地震設(shè)計(jì)烈度和地質(zhì)條件，確定最佳方案，而這樣也會(huì)造成橋梁成本的升高。

橋梁建設(shè)中，盡量不要在液化土層區(qū)域內(nèi)建設(shè)，且連續(xù)梁橋的形式抗震效果明顯優(yōu)于簡支橋梁。具體選擇何種形式的橋梁，應(yīng)從工程整體的需要及現(xiàn)場情況綜合分析確定，才能提高橋梁的抗震性能和水平。簡支橋梁在受到地震作用后，主要發(fā)生的病害是以下三個(gè)部分：第一，橋梁上部結(jié)構(gòu)損壞，具體表現(xiàn)為錯(cuò)位、滑落等，但結(jié)構(gòu)本身并不會(huì)發(fā)生較大的傷害，也有可能是上部錨固結(jié)構(gòu)的斷裂，最終造成混凝土剝落、開裂等。第二，下部結(jié)構(gòu)損壞，具體表現(xiàn)為主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂、缺損等問題，也有可能是連接部位發(fā)生病害問題。第三，橋梁基礎(chǔ)發(fā)生損壞，具體表現(xiàn)為墩臺(tái)基礎(chǔ)位移、下沉等，會(huì)給整個(gè)橋梁造成極大的傷害，比如結(jié)構(gòu)錯(cuò)位、滑落等，影響橋梁的正常使用。

橋梁的抗震設(shè)計(jì)開始前，組織地質(zhì)勘探專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)勘察，了解地質(zhì)條件，并與當(dāng)?shù)氐卣鸩块T保持聯(lián)系，查閱地震發(fā)生情況資料，收集全部資料，才能明確具體的設(shè)計(jì)理念和要求，提高橋梁的總體水平。

7 結(jié)語

在簡支梁橋的抗震設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極落實(shí)設(shè)計(jì)選型工作，根據(jù)需要計(jì)算各個(gè)結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)勢(shì)，編制橫向、豎向、橋向的設(shè)計(jì)方案，從而提高橋梁工程的質(zhì)量。同時(shí)，在簡支梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，還需要深入實(shí)際在了解設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及要求基礎(chǔ)上，掌握橋梁的荷載參數(shù)，這樣才能切實(shí)提升橋梁設(shè)計(jì)水平，給橋梁工程項(xiàng)目建設(shè)奠定基礎(chǔ)。