雙墩柱大懸臂預應力蓋梁的計算

劉忠偉 盧啟煌

1 概述

近年來,隨著城市空間的不斷發展,大量環城或繞城高速公路采用高架橋形式上跨市政道路。周圍環境對橋梁結構的形式影響較大,橋下既要保證足夠的行車道寬度,又要滿足城市景觀性的要求。為了滿足這些要求,常常采用雙墩柱或獨柱大懸臂預應力混凝土蓋梁的設計方案。

本文以某工程項目高架橋中的雙墩柱大懸臂預應力混凝土蓋梁為例,介紹了該類型蓋梁的受力特性和計算要點。

2 蓋梁設計概況

2.1 技術標準

1)設計速度：80 km/h;2)設計荷載：公路—Ⅰ級;3)橋梁寬度：2×16.3 m;4)地震烈度：動峰值加速度系數 0.1g,對應地震基本烈度為7度。

2.2 蓋梁尺寸

上部構造為24 m預應力混凝土小箱梁。下部結構受市政路干擾較大,主要采用了雙墩柱大懸臂預應力混凝土蓋梁。蓋梁截面采用倒T形形式,蓋梁總長33.5 m,兩側各懸臂13.4 m,兩墩柱中心間距為6.7 m。順橋向頂寬1.0 m,兩側墊石平臺寬0.8 m。根部高4.22 m,端部高2.6 m,蓋梁由根部到端部采用圓弧形過渡。

2.3 蓋梁預應力鋼束

預應力混凝土蓋梁采用A類預應力混凝土結構,預應力鋼束采用φ 15.24低松弛高強鋼絞線,預應力鋼束布置如圖1所示。1)預應力管道采用塑料波紋管;2)管道摩擦系數：u=0.2;3)管道偏差系數：κ=0.001 5/m;4)鋼筋回縮和錨具變形：6 mm;5)張拉控制應力：1 311.3 MPa。

2.4 蓋梁施工步驟

1)立模澆筑蓋梁混凝土,待混凝土強度達到設計強度的90%時張拉鋼束N1a,N1b,N4a,N4b;2)由中間向兩端對稱架設預制箱梁;3)架梁結束后張拉鋼束N2a,N2b,N3a,N3b;4)二期恒載施工。

3 蓋梁計算過程

3.1 模型的建立

蓋梁采用橋梁博士進行有限元分析。由于樁基采用嵌巖樁,樁底嵌入粗粒花崗巖微風化帶,地質條件較好,因此按剛性地基假定,將橋墩底端考慮為固結,模型離散圖見圖2。

3.2 荷載取值

1)恒載。上部結構恒載包括24 m預制箱梁自重、防撞護欄重、橋面鋪裝重。恒載通過支座傳遞到蓋梁,故將上部恒載簡化為集中力加載在蓋梁相應位置處。2)活載。汽車荷載采用公路—Ⅰ級車輛荷載。按橋面偏載最不利位置加載。3)溫度荷載。整體升溫、降溫 20℃,并按JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范第4.3.10考慮梯度升溫、梯度降溫。4)沉降。樁基為嵌巖樁,墩底沉降取0.005 m。

4 計算結果分析

4.1 承載能力極限狀態組合抗彎驗算

圖3為最大彎矩對應抗力及最大彎矩圖,圖4為最小彎矩對應抗力及最小彎矩圖。從圖3,圖4中可以看出抗彎承載能力滿足要求。

4.2 正常使用極限狀態長期、短期組合應力驗算

正常使用極限狀態長期、短期組合作用下,上緣最大正應力、上緣最小正應力、下緣最大正應力、下緣最小正應力見表1。從表1中看出應力滿足規范要求。

表1 應力表 MPa

4.3 預應力鋼筋最大拉應力驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第7.1.5條第二款規定,受拉區預應力鋼筋的最大拉應力：預應力混凝土構件σpe+σp≤0.65fpk=1 209 MPa(fpk=1 860 MPa)。經計算,蓋梁預應力鋼筋最大拉應力為1 200 MPa。蓋梁預應力鋼筋最大拉應力滿足規范要求。

4.4 撓度驗算

在荷載短期效應組合下最大懸臂端撓度為1.56 cm。

撓度長期增長系數為1.425,結構自重產生的撓度為0.703 cm,則消除結構自重后產生的長期撓度為1.425×(1.87-0.703)=1.663 cm＜1 340×1/300=4.47 cm,滿足規范要求。

5 結語

雙墩柱大懸臂預應力混凝土蓋梁的設計方案不僅使橋梁上下部結構充分協調,滿足景觀要求和通行要求,而且通過計算證明了該方案在技術上安全可行,可作為上跨城市道路高架橋蓋梁設計的參考。

[1]JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].