摘 要：以河北省内某特大桥梁工程施工为例，对预应力混凝土桥梁结构设计展开分析，设计要点包括选材标准设计、预应力混凝土主桥和引桥设计、桥梁结构性能设计，结果表明，要确保桥梁整体质量及使用安全，应从设计入手，并根据设计标准进行施工，以保证桥梁工程施工质量，延长桥梁的使用寿命。

关键词：桥梁工程;预应力设计;桥梁寿命;

作者简介：王庆元（1988—），男，工程师，从事公路桥梁设计工作。;

1 工程概况

某特大桥梁工程位于我国河北省境内，其中心桩号为K64+253.00，桥梁全长1 890m，共分为13联，桥梁整体呈东西走向，主要分为主桥和引桥两部分，其中主桥上部结构为预应力混凝土连续箱梁，引桥上部结构为先简支后连续的预应力混凝土小箱梁，为保证该工程的质量，应做好本工程预应力桥梁结构的设计。

2 预应力桥梁结构设计

2.1 选材标准设计

2.1.1 混凝土选材

(1）选用的混凝土材料中，主桥与引桥的上下部结构均采用高性能混凝土，以保证桥梁结构的耐久性，主桥梁体宜采用C60混凝土，引桥箱梁宜采用C50混凝土，桥面铺装时采用C50防水混凝土施加防水层，伸缩缝预留槽口位置采用C50聚丙烯纤维混凝土，主桥与引桥的桥墩、台身、系梁等均采用C35混凝土，承台、桩基、搭板采用C30混凝土，主桥的支座垫石宜采用C50混凝土，引桥支座垫石宜采用C40混凝土。

(2）混凝土材料由水泥与骨料混合而成，选用的水泥材料应为高品质的硅酸盐水泥，其标号为42.5、52.5、62.5等，根据混凝土的等级确定水泥标号，每跨梁体的混凝土需使用同一标号的水泥，不得混合使用，水泥材料的最大水胶比、胶凝材料最小用量应符合《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650—2020）规范要求；选用的骨料需具有质地坚硬、孔隙率小、吸水率低、级配良好、均匀的特点，骨料分为粗集料与细集料，粗集料宜采用破碎碎石，最大粒径以不大于25mm，粒径与保护层的厚度比值在2/3以内，细集料宜采用干净砂料，细集料的含泥量不宜超过1%。

2.1.2 钢筋选材

(1）钢筋直径为12mm及以上，要求采用HRB400钢筋，施工图纸中标注为3级钢筋符号，钢筋的主要性能应满足国家标准《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》（GB1499.2—2018）的规定；直径为12mm以下的，要求采用HRB300钢筋，施工图纸中标注为1级钢筋符号，钢筋的主要性能应满足国家标准《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》（GB1499.1—2017）的规定[1]。

(2）预应力钢绞线应为高强度低松弛钢绞线，其抗拉强度标准值为1 860MPa，钢绞线直径为S15.2mm，弹性模量为195 000MPa，松弛系数为Ⅱ级，钢绞线的其他性能指标满足国标《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224—2014）的要求。

(3）预应力锚具要求满足国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370），以及交通运输部现行行业标准《公路桥梁预应力钢绞线用锚具、夹具和连接器》（JT/T 329—2010）的要求，选用的预应力管道应为高密度聚乙烯塑料管。

2.2 预应力主桥设计

2.2.1 上部结构

(1）本工程主桥上部结构设计为四跨预应力混凝土变截面连续箱梁，其跨径为90+135+135+90m，箱梁顶板厚度设计为0.28m，底板厚度在32～100cm，箱梁根部梁高设计为8.5m，跨中梁高设计为4m，箱梁高度与厚度采用1.8次抛物线变化，箱梁上部结构预应力设计为纵向、横向、竖向三向预应力体系[2]。

(2）箱梁纵向预应力设计为顶板钢束、底板钢束、墩顶下弯钢束，纵向预应力束采用钢绞线的直径为S15.2mm，每个断面锚固2～4束；横向预应力设置在箱梁顶板位置，横向预应力束采用钢绞线直径为S15.2mm，钢束间距为0.5m，横向预应力的张拉方式为单端张拉，张拉端交错布置，利用扁锚锚固；竖向预应力采用直径为JL32的预应力螺纹钢筋，其强度为785MPa，布置位置在箱梁腹板内。

2.2.2 下部结构

本工程主桥下部结构中主要采用钻孔灌注桩基础、薄壁空心墩、承台等结构，其中桩基础的直径为1.8m，薄壁空心墩尺寸为横桥向7m，顺桥向4m，承台尺寸为横桥向12m，顺桥向16.5m，支座采用3级设防摩擦摆减隔震球型支座，支座的型号为SFJZ45MN和SFJZ7MN，其中SFJZ45MN型号支座用于中间墩的支撑，SFJZ7MN型号支座用于过渡墩的支撑，伸缩缝结构采用320型号的梳齿板伸缩缝[3]。

2.2.3 设计参数

桥梁的荷载设计为公路-I级，地震动峰值加速度0.1g，桥梁施工过程中合龙段施工温度宜在15～20℃，温度的整体升降升温不得超过25℃，降温不得超过-30℃，预应力孔道的摩擦系数设计为0.17，钢绞线的松弛系数不得超过0.3，孔道偏差控制在0.0015，桥梁支座产生的不均匀沉降控制在10～20mm之间，挂篮施工时的最大重量不得超过1 000kN，预应力张拉完成后需要及时锚固，其锚具的回缩量控制在6mm以内[4]。

设计过程中将主桥上部结构离散为234个单元，按55个施工阶段进行了全桥施工过程的模拟，在最不利荷载组合下，箱梁上缘最小应力为压应力0.127MPa，箱梁上缘最大应力为压应力17.2MPa；箱梁下缘最小应力为压应力2.82MPa，箱梁下缘最大应力为压应力15.8MPa。

2.2.4 施工流程

主桥预应力混凝土悬浇连续箱梁施工中，要根据下列流程施工，在预应力桥梁下部构造全部施工完成后，在薄壁空心墩支架上方开始0号块浇筑作业，待0号块浇筑完成后利用挂篮施工的方式浇筑其他节段，浇筑过程对称浇筑，浇筑完成后张拉各阶段的预应力钢束，直至最大悬臂位置，浇筑完成后根据先边跨后中跨的顺序开始合龙段作业，最后进行预应力桥梁的桥面铺装施工。

2.2.5 施工注意事项

(1）施工单位开展主桥施工时选用的挂篮结构应轻便合理，使用前需进行试压试验，检测挂篮的刚度、强度以及挠度是否满足使用要求，性能满足要求的挂篮拼装完成后应开展试压与静载试验，明确挂篮的承载力与变形值，为主桥悬臂浇筑施工的安全提供保障，施工采用的挂篮、机具与模板的总重量不宜超过1000kN，施工单位开展施工前需通过精确的计算明确挂篮施工中的实际参数，不得超过设计要求。

(2）挂篮安装后主桥应从1#块至15#对称平衡逐块浇筑，为避免浇筑过程中不平衡的自重影响，施工单位要严格控制浇筑段混凝土的超方量，其最大误差不得超过梁体自重的3%，对称段梁体浇筑时，两侧混凝土最大的混凝土浇筑重量相差不得超过梁体自重的30%。此外，为保证梁体的浇筑质量，悬臂浇筑中，每个节段均需设置观测点，以便于观测各阶段梁体标高的变化情况，每节梁体浇筑完成后待混凝土达到设计强度的90%方可张拉预应力，待该阶段预应力张拉完成且压浆验收后，才能开始移动挂篮。

(3）主桥梁体全部浇筑完成后应按照先边跨后中跨的顺序合龙施工，合龙段施工时应处于当日气温最低点，施工时间应尽可能地快，边跨合龙段浇筑时需设置观测点，观测支架的变形及沉降情况，从而保证边跨合龙段悬臂标高与轴线的偏差处于最小值，中跨合龙段施工后，不得在其上方堆放施工机具、重物等，待合龙段达到设计强度的90%后，开展预应力张拉作业，张拉完成后开始压浆封锚完成合龙。

2.3 预应力引桥设计

2.3.1 上部结构

本工程引桥的结构设计与主桥不同，引桥的上部结构设计为先简支后连续预应力混凝土小箱梁，其箱梁的预应力混凝土构件设计为A类，结构荷载横向分配系数的设计采用刚接梁法、梁格法以及刚性横梁法进行分析，根据计算及分析结果综合确定。

2.3.2 下部结构

引桥的下部结构桥墩按照柔性墩设计，设计形式为柱式墩，桥墩的水平力根据集成分配法获取，桥台设计为柱式台、肋式台；引桥下部结构配筋设计按照控制断面内力承载极限确定，其盖梁设计用刚架完成，再采用杠杆法计算盖梁的活载分配系数，此外，引桥的桩基设计参考摩擦桩的方法，桩基的内力按照m法计算。

2.3.3 设计参数

引桥施工中的设计参数要求其混凝土重力密度采用26.0kN/m³，弹性模量为3.45×104MPa，引桥预应力钢绞线的弹性模量为1.95×105MPa，钢绞线的松弛率为0.035，松弛系数控制在0.3以内，预应力孔道的摩擦系数应为0.17，偏差系数为0.001 5，预应力张拉结束后，其锚具的伸缩量与主桥一致，控制在6mm，年平均湿度为55%，支座的不均匀沉降控制在5mm以内[5]。

2.3.4 施工注意事项

(1）引桥的箱梁在预制场施工时应严格按照设计图纸要求施工，箱梁浇筑前需检查梁体的预应力孔道位置、钢筋位置、预埋件等相关构造，同时施工单位应选择合适的骨料粒径与水泥材料，并做好混凝土混合料的配比试验，保证浇筑材料的性能，浇筑时应充分振捣，尤其是梁体局部应力大、钢筋密、早期强度高的位置，浇筑完成后梁体在预制场的存放周期不宜超过90d，且梁体跨中位置应设置向下1.9cm的预拱度，以避免预制梁上拱过大，与桥面现浇层之间产生过大的收缩差。

(2）预制梁安装时放置在支座上，施工单位应设置临时支座并安装好永久支座，梁体两侧位置无须设置临时支座，梁体安装时逐孔安装，安装后及时连接桥面板钢筋及端横梁钢筋。接头钢筋连接后，浇筑桥面板湿接缝位置的混凝土，湿接缝浇筑前应开展凿毛处并清理钢筋，然后涂抹同配比的水泥砂浆，湿接缝浇筑时由跨中向支点浇筑作业，负弯矩钢束张拉压浆完成，桥面铺装完成后可逐步撤除临时支座，完成体系转换，采用永久支座实现对梁体的支撑。

2.4 桥梁结构性能设计

2.4.1 结构耐久性

(1）在预应力桥梁设计中除桥梁材料选取与结构设计外，还应明确桥梁的结构性能，桥梁结构的耐久性作为保证桥梁使用寿命的重要性能，在设计中应做好桥梁结构的可控性、持续性、可维修更换性。此外，由于本工程桥梁位于河北省内，冬季外界环境温度较低，为提升桥梁的耐久性，要求其结构采用高性能混凝土施工。

(2）由于混凝土碳化会使钢筋表层钝化膜破坏，导致钢筋出现锈蚀，会降低桥梁的使用寿命，针对此情况可以适当增加保护层厚度，以增加混凝土可碳化深度，从而延长桥梁的使用寿命，保护层要求应满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362—2018）的要求。

(3）桥梁下部结构高性能混凝土中，其混凝土的最大水灰比不得超过0.5，最大氯离子含量不得超过0.15%，最小水泥用量为300kg/m³，最大碱含量不得超过1.8kg/m³；上部结构高性能混凝土中，其混凝土的最大水灰比不得超过0.4，最大氯离子含量不得超过0.06%，最小水泥用量为350kg/m³，最大碱含量不得超过1.8kg/m³。

2.4.2 支座耐久性

确保桥梁结构耐久性的同时，要通过设计要求增加支座的耐久性。首先要保证支座的干净整洁，避免出现尘土、积水的堆积影响；其次可以增加支座的支撑高度，预留放置千斤顶提升设备的空间，如支座出现问题，利用机械进行支撑，方便支座的替换维修；最后更换支座时应分析主梁向上的强制位移作用下的内力，以及桥墩及支座下沉对于主梁受力的不利影响，避免对桥梁结构造成损坏[6]。

2.4.3 防腐蚀性

(1）桥梁的防腐蚀性与桥梁的使用安全息息相关，在桥梁结构设计中应根据《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》（JTG/T 3310—2019）的要求，以及水质分析成果表SO42-及PH等指标含量确定本工程桥梁的环境等级，然后结合环境等级选定施工所用的混凝土强度及其最大水胶比，材料的选定要满足《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》（JTG/T 3310—2019）的要求。

(2）致使桥梁遭受腐蚀的主要因素包括地下水的侵扰、地表水中硫酸根离子，镁离子、氯离子的化学侵蚀，因此，可以通过增加桥梁的防水性增加其防腐蚀性能，同时要对桥面的排水系统合理设计，不得直接利用桥梁构件排水。

3 结语

预应力桥梁结构的设计应坚持因地制宜的原则，同时结合各相关单位的要求提出桥梁设计方案，桥梁设计过程中要合理借鉴国内外先进技术，采取合适的设计方法，减少对施工、使用产生的影响，从而确保桥梁结构的合理性，保证桥梁工程的整体质量，延长桥梁的使用寿命。