大懸臂預應力混凝土蓋梁計算分析（交通）

                               榮向波  李學有

                 （中交第二公路勘察設計研究院有限公司  武漢  430056）

摘要城市橋梁建設中，為提高土地利用率，大懸臂預應力混凝土蓋梁往往成為優選方案。結

合某工程實例，介紹大懸臂預應力混凝土蓋梁的設計思路和設計方法。計算結果表明，墩柱與蓋梁連接處結構受力復雜，多為結構設計的控制性截面；結構計算時應準確模擬蓋梁施工過程，合理選擇預應力鋼束張拉順序和張拉時機，保證施工過程結構安全。

關鍵詞  橋梁工程預應力混凝土蓋梁設計計算分析有限元法

    城市橋梁建設過程中，橋梁上、下部結構型式的選擇，既要考慮與周邊環境協調，滿足城市橋梁景觀要求，又要考慮橋下地面層交通組織的需要，盡可能節約用地提高土地利用率、拓展橋下凈空。鑒于此，橋梁下部結構選型時，原則上應盡量少設置墩柱，橋墩底部盡量往中間靠攏，減少對橋下環境的影響，大懸臂預應力混凝土蓋梁能很好地滿足這一設計要求，往往成為工程設計的優選方案。

    文章結合漳州市廈漳同城大道中采用的大懸臂預應力混凝土蓋梁，對該類型蓋梁的設計思路、設計方法進行探討，可為同類型橋梁蓋梁的設計提供借鑒和參考。

1設計概況

1.1技術標準

    (1)橋梁定位。城市快速路。

    (2)設計車速。80 km/h。

    (3)設計荷載。城-A級。

    (4)橋面寬度。16.5 m。

1.2依托工程介紹

    南門大橋是廈漳同城大道沿線的一座控制性橋梁工程，橋梁上部結構采用11×30 m預應力混凝土先簡支后結構連續小箱梁，橫橋向由6片小箱梁組成。

    下部結構受橋下交通組織的制約，要求墩柱盡量往路線中心靠攏，因此傳統的樁柱式橋墩不能滿足項目要求，經綜合比選，下部結構采用大懸臂預應力混凝土蓋梁，橋墩墩身采用雙柱拱形門洞型式。

    橋梁墩高7.0 m，蓋梁頂部全寬15. 05 m，墩柱中距3.9 m，蓋梁懸臂端部至墩柱中心距離為5. 575 m。蓋梁懸臂端部高1.0 m，根部高1.8m。橋墩截面厚度1.7 m。墩柱采用矩形墩，截面尺寸1.7 m×1.7 m。蓋梁與墩身立柱采用圓弧過渡銜接，主要尺寸見圖1。

    蓋梁采用C50混凝土，墩柱采用C40混凝土，承臺及樁基采用C30混凝土。

1.3蓋梁預應力體系

    傳統的墩柱式橋墩蓋梁，蓋梁翼緣端部至墩柱中心的距離與墩柱中心距離的比值在0.3～0.4之間，本次考察的蓋梁該比值為1. 43，遠大于傳統蓋梁間距，蓋梁翼緣的長懸臂效應非常突出，蓋梁內需要配置預應力鋼束以改善蓋梁受力狀態。

    按A類預應力混凝土構件進行蓋梁設計，預應力鋼絞線采用抗拉強度標注值f _{p k}=1 860

M Pa、公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強度鋼絞線。預應力管道采用塑料波紋管，真空輔助灌漿工藝，管道摩擦系數取0. 17，管道每米局部偏差對摩擦的影響系數取0. 0015，張拉端錨具變形、鋼束回縮按每端6mm考慮。

    蓋梁內共布置10根預應力鋼束，其中N1a，N1b，N2a，N2b采用17 15鋼束，N3采用12 15鋼束。蓋梁預應力鋼束布置見圖2。

1.4蓋梁施工順序

    預應力蓋梁施工過程中，其截面上下緣應力需滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62 - 2004)7.2.8條對于短暫狀況應力狀態的相關要求，為此鋼束應分批張拉，其施工步驟為：①橋墩及帽梁現澆完成，待混凝土強度達到90%設計強度后張拉第一批鋼束N1a，N2a，N3；②第一批鋼束張拉完成后架設上構小箱梁（架設小箱梁時應從帽梁中間向兩邊對稱架設）；③待兩跨的小箱梁全部就位后張拉第二批鋼束N1b、N2b，然后進行簡支變連續上構體系轉換；④施工橋面鋪裝及附屬設施等二期恒載。

2蓋梁的桿系結構計算

2.1模型建立

    采用Midas Civil 2013有限元程序建立橋墩計算模型，見圖3。蓋梁、墩柱采用空間梁單元模擬。

2.2計算參數

    上部結構預制小箱梁采用架橋機進行架設，因此蓋梁結構計算過程中，應考慮架橋機荷載，架橋機重量1 300 k N，結構計算時以集中力荷載進行模擬。大懸臂預應力蓋梁設計考慮的主要參數有：

    (1)恒載。包括預制小箱梁自重，二期恒載及橋墩重量，上部結構荷載通過支座傳遞至蓋梁。

    (2)支點沉降。墩身立柱考慮不均勻沉降5mm。

    (3)汽車荷載。城-A級，考慮車道的不利布置，按橫向加載進行計算，相應的汽車荷載值通過支座傳遞至蓋梁。

    (4)溫度作用?？紤]整體升溫25℃，整體降溫25℃。

2.3  承載能力極限狀態計算結果

    承載能力極限狀態下，蓋梁結構支點和跨中截面的承載力計算結果見表1。

    大懸臂預應力混凝土蓋梁，其翼緣根部截面承受較大的負彎矩，結構設計時翼緣根部一般為控制性截面。由表1可見，由于蓋梁墩柱間距較小，基本組合下蓋梁支點和跨中均承受負彎矩，支點和跨中截面的截面抗力均大于基本組合設計內力值，蓋梁承載能力滿足規范要求。

2.4正常使用極限狀態計算結果

    正常使用極限狀態下，蓋梁截面混凝土結構的抗裂驗算結果見表2。

    由表2可見，在短期效應荷載組合下，蓋梁截面出現拉應力，最大拉應力出現在墩柱頂截面上緣，為0. 35 M Pa；在長期效應荷載組合作用下，截面未出現拉應力，最小壓應力出現在墩柱頂截面上緣，為0.2 M Pa;在短期效應荷載組合下，蓋梁截面主拉應力為0. 83 M Pa，主拉應力截面出現在墩柱頂截面位置，小于規范允許值1. 325 M Pa。經上述比較可知，正常使用極限狀態下蓋梁截面混凝土結構抗裂驗算滿足規范要求。

2.5  持久狀況應力計算結果

    使用階段，蓋梁截面混凝土結構持久狀況應力計算結果見表3。

    由表3可見，使用階段混凝土截面最大壓應力為14. 72 M Pa，出現在墩柱頂截面附近；混凝土截面最大主壓應力為14. 72 M Pa，出現在墩柱頂截面附近；經比較，蓋梁持久狀況應力滿足規范要求。

2.6短暫狀況應力計算結果

    按照2.5所述施工順序進行蓋梁施工過程模擬計算分析，計算結果見表4。

    由表4可見，施工過程中蓋梁截面最大壓應力為14. 08 M Pa;蓋梁截面最大拉應力為-1.1

M Pa;截面應力均滿足規范要求。

    大懸臂蓋梁預應力鋼束分段張拉，是蓋梁合理受力狀態的選擇，就文章所分析的蓋梁而言，若預應力鋼束整體一次性張拉，則短暫狀況應力值將超出規范限值，見表5。

    由表5可見，若預應力鋼束整體一次性張拉，則蓋梁截面最大壓應力和最大拉應力均不滿足規范相關要求，因此對于此類蓋梁設計，預應力鋼束張拉順序和張拉時機的選擇，顯得尤為重要，這一點需引起設計人員高度重視。

2.7桿系結構模型計算結論

    (1)大懸臂預應力混凝土蓋梁，運營階段承受上部結構自重和車輛荷載作用，需要配置強大的預應力鋼束抵抗外部荷載作用，但是預應力荷載的施加需要考慮外部荷載的施加順序，如文章2.5節所述施工步驟，預應力鋼束隨荷載的增加分批張拉。若施工過程中，不考慮荷載的施加過程，一次性張拉蓋梁預應力鋼束，將造成不可挽回的損失。

    (2)從前述計算結果可見，由于墩柱與蓋梁剛性連接，導致該位置附近的蓋梁截面受力較為復雜，往往成為蓋梁結構的控制截面。就文章計算結果來看，承載能力極限狀態計算、截面抗裂驗算、持久狀況應力計算等驗算項目中，墩柱頂附近蓋梁截面均為結構設計控制性截面。

3蓋梁的實體模型計算

    依據前述計算結果，蓋梁與墩柱相接處結構受力計算較為復雜，為驗證桿系結構模型結論，采用ANSYS建立實體單元進行復核驗算，實體模型見圖4。

    通過計算得知，在長期和短期效應組合下，除懸臂端部鋼束錨固區域出現較小的拉應力以外，蓋梁其余部位均未出現拉應力，正截面抗裂滿足規范要求。標注值組合下，蓋梁上下緣正截面最大壓應力值為14. 45 M Pa，與桿系結構計算結果較為吻合，滿足規范要求。

4結語

    (1)大懸臂預應力混凝土蓋梁可以節約用地提高土地利用率，同時蓋梁墩柱輕盈美觀，與周圍環境相協調、統一，已成為城市橋梁設計的優選方案。但此類蓋梁結構受力較為復雜，結構計算時應準確模擬蓋梁施工過程，合理選擇預應力鋼束張拉順序和張拉時機，確保蓋梁施工及運營階段的結構安全。

    (2)結合漳州市廈漳同城大道采用的大懸臂預應力混凝土蓋梁，介紹了該類型蓋梁的設計思路和設計方法，通過桿系結構計算結果和實體結構計算結果比較顯示，文章采用的設計思路和設計方法可行，可為同類型蓋梁設計提供借鑒和參考。