現澆連續箱梁中預應力隱形蓋梁的受力分析

郝晨琦

（深圳高速工程顧問有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近年來，沿海經濟發達地區為了提高運輸效率、增大交通疏解能力、減少工程用地，修建了大量結構簡潔新穎的高架立交橋，而且隨著我國經濟的不斷發展，會進一步增加交通流量及造成城市工程用地更加緊張，而城市用地的成本高于增加結構物的成本，高架立交橋方案將逐漸成為我國現代化城市道路工程的重要組成部分。在高架立交橋設計中,一方面要滿足通行車輛對立交本身的運輸效益與城市社會效益的需求，另一方面也要兼顧立交橋梁下道路的近期及遠期運輸效益。如何更有效地利用高架立交橋橋下空間，在保證橋下縱向通行能力和建筑凈空高度要求的情況下，盡量降低橋面高度，減小引道長度，適當控制結構物造價將是今后經濟發達地區立交橋建設中必須解決的問題。采用隱形蓋梁是一種有效辦法。

1 預應力隱形蓋梁結構特點

1.1 預應力隱形蓋梁結構優點

（1）預應力隱形蓋梁結構，利用上部結構的原有空間及與上部固結的一體形式，完成將上部作用利用鉸接結構向下部結構傳遞的部件。隱形蓋梁主要作用在于，如遇到橋下有與橋梁同走向的縱向行車通道時，可以提供橫向空間；雖然作為隱形蓋梁融入上部結構現澆箱梁的橫梁會使之較常用下部蓋梁寬度及高度有所增加，但是考慮到現澆箱梁的橫梁的配筋率較大，以及隱形蓋梁采用了預應力混凝土結構，隱形蓋梁與使用普通下部蓋梁比較，不僅能提供更多豎向空間而且造價更經濟。將預應力隱形蓋梁應用于橋面寬度較小的現澆連續箱梁橋時，還可以增大上部構造的抗扭剛度；隱形蓋梁增加預應力后能較大地改善在運營時的上部結構穩定性與整體性。

（2）預應力隱形蓋梁可以減少其周邊的翼緣板邊緣自由度，且隱形蓋梁在運營期由于剪力滯效應，箱梁頂板以及翼緣板與隱形蓋梁在不同工況下可相互分擔一部分的壓應力及剪應力作用，使結構承載能力少量增加，但由于影響較小，因此在計算時通常可以忽略。

（3）預應力隱形蓋梁還具有普通預應力蓋梁的普遍優點，例如減少下部開裂等病害，在抗剪能力基本相同的情況下更節省普通鋼筋等；將預應力隱形蓋梁并入上部結構后，還降低了下部結構的施工難度，加快了工期；預應力隱形蓋梁的使用還會一定程度上減小更換現澆連續箱梁支座的難度。

2 工程實例

2.1 橋梁概況

廣東省深圳市某快速路大橋是主線橋的下行匝道橋，該橋上行縱向跨越一主要通道的輔道，上部為現澆預應力混凝土連續箱梁，下部結構采用樁柱式雙柱橋墩，摩擦樁基礎。橋梁全長251.5 m，全橋共三聯，第一聯采用（3×25 m）現澆預應力混凝土連續箱梁（預應力隱形蓋梁結構位于該匝道橋第一跨的2號、3號、4號橋墩處）。橋梁主要尺寸及技術標準為：凈寬為8.5 m；公路-Ⅰ級荷載；現澆梁高為140 cm；瀝青混凝土鋪裝厚為10cm；7度設防地震烈度；橋墩尺寸為D=100 cm。橋跨布置及隱形蓋梁所處斷面如圖1所示。

2.2 結構總體分析及計算基礎資料

圖1 大橋第一聯橋跨布置圖及預應力隱形蓋梁所處斷面圖(單位:cm)

預應力隱形蓋梁跟上部梁高同高，并且梁高較小，采用平面桿系有限元分析程序進行結構計算。計算中分別將現澆箱梁與隱形蓋梁進行計算分析，通過現澆箱梁的計算分析確定極限狀態下隱形蓋梁所受到的荷載作用，以集中力加均布作用，模擬現澆箱梁傳遞的荷載作用及隱形蓋梁本身直接承受的恒載與活載。由于蓋梁下采用盆式支座，所以隱形蓋梁邊界條件為簡支約束。在對隱形蓋梁的單獨計算中不考慮現澆箱梁的剛度影響。隱形蓋梁結構離散圖如圖2所示。

圖2 隱形蓋梁結構離散圖

具體的結構尺寸擬訂及參數的選取，其內容敘述如下。

2.2.1 材料選用

現澆箱梁、隱形蓋梁：C50混凝土；

鋼筋：R235、HRB335鋼筋；

預應力鋼絞線：270級高強低松弛剛絞線，fpk＝1 860MPa。

2.2.2 計算參數取值

（1）恒載自重按26 kN/m3計算。

（2）橋面鋪裝和防撞墻按40 kN/m計算。

（3）鋼束參數及數量取值：

張拉控制應力σcon=0.75fpk=1 395 MPa；

松馳系數取0.3，孔道摩阻0.25，孔道偏差0.001 5，錨具變形0.006；

鋼絞線數量：（m束×n股）：

腹板N1、N2、N3：4×10；

頂板T1、T2：2×5。

（4）活載標準及沖擊系數μ：

汽車橫向分布系數： 2車道m=2；

沖擊系數按規范計算得μ＝0.293。

（5）支座沉陷：

不考慮沉降。

（6）溫度作用：

溫度作用參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）（以下簡稱《鋼筋及預應力混凝土規范》）執行，在此選用T1和T2分別為14℃和5.5℃的溫度基數。

2.3 計算結果及分析結論

2.3.1 承載能力極限狀態驗算結果

2.3.1.1 彎矩分析及縱向普通鋼筋驗算

根據《鋼筋及預應力混凝土規范》第5.2.7條規定進行驗算，并得出結論：

承載能力極限狀態使用階段組合2橋面系單元彎矩（最大值）驗算，梁底面最大強度12 706.69 kN·m，最大效應6 692.0 kN·m（如圖3所示）。

圖3 承載能力極限狀態使用階段組合2橋面系單元彎矩圖（最大值）

承載能力極限狀態使用階段組合3橋面系單元彎矩（最小值）驗算，梁頂面最大強度12 706.69 kN·m，最大效應6 692.0 kN·m（如圖4所示）。

圖4 承載能力極限狀態使用階段組合3橋面系單元彎矩圖（最小值）

強度驗算通過。

2.3.1.2 剪力分析及箍筋驗算（見圖5）

圖5 承載能力極限狀態使用階段組合2橋面系單元剪力圖

根據《鋼筋及預應力混凝土規范》第5.2.7條規定，由于該橋采用預應力隱形蓋梁，在設計時已考慮利用預應力鋼束彎起，保證剪力承載能力，故而節省了彎起鋼筋的配置（Vsb=0），按照承載能力極限狀態使用階段組合2計算結論如下：

以梁端1/4L處截面進行驗算：

該截面剪力小于承載力，滿足規范要求。

2.3.1.3 正截面抗拉承載力分析─正常使用長期效應計算結果（最不利組合2）

根據《鋼筋及預應力混凝土規范》第5.4.2條及相關規定，計算結果如圖6所示。在正常使用長期效應的最不利組合下，主梁均未出現拉應力，滿足規范要求。

圖6 正常使用階段組合2單元正應力圖（最小值）

2.3.1.4 持久狀況受壓區混凝土最大壓應力驗算

如圖7所示，根據圖7中利用計算結果產生的應力圖可知，主梁的最大壓應力為 σkc+σpt=11.44 MPa，根據《鋼筋及預應力混凝土規范》中第6.3.1條對A類構件的要求，即壓應力（C50混凝土），滿足規范要求。

圖7 使用階段組合 2橋面系單元正應力圖（最大值）

2.3.1.5 持久狀況受拉區預應力筋最大拉應力驗算

經計算主梁預應力鋼筋的拉應力在組合2時最大，其值為1 205.4 MPa，規范對A類預應力混凝土構件σpe+σp≤0.65fpk=1 209（MPa）（fpk=1 860MPa）的規定，滿足要求。

2.3.2 正常使用極限狀態驗算結果

2.3.2.1 正截面抗裂分析及驗算─正常使用短期效應計算結果（最不利組合3）

根據《鋼筋及預應力混凝土規范》第6.3.1條及相關規定，計算結果如圖8所示，根據其中正常使用的最不利組合應力數值可知，主梁在正常使用短期效應下均未出現拉應力，滿足規范要求。

圖8 正常使用階段組合3單元正應力圖（最小值）

2.3.2.2 斜截面抗裂驗算─主拉應力σtp驗算

根據《鋼筋及預應力混凝土規范》第6.3.1條的相關規定，計算結果如圖9所示，主梁在短期效應組合下的會在墩頂產生最小主拉應力：σtp=0.55 Mpa，根據上述規范要求，對于現場澆筑A類構件拉應力小于等于0.5ftk=1.325 MPa（C50混凝土），滿足規范要求。

圖9 正常使用極限狀態橋面系單元主拉應力圖（組合2最小值）

2.3.3 計算分析結論

根據上述的計算結果及分析,可得到如下結論：（1）預應力隱形蓋梁對上部結構受力影響較?。唬?）當上部因為運用本結構而增加了橫向預應力鋼束時，可有效地增大上部的整體性；（3）在墩頂存在較大的拉應力，需控制預應力彎起形態，以及使用較高標號的混凝土以保證墩頂截面滿足規范要求。

3 結語

通過對廣東省深圳市某快速路某立交一座匝道橋中預應力隱形蓋梁的討論分析，得到一些針對能保證橋下縱向通行能力和建筑高度的預應力隱形蓋梁設計有用的分析方法和結論，有利于經濟較發達地區現代化城市中的立交橋設計。同時為減少橋梁病害、降低養護難度和造價等提供了新的思路。

[1]范立礎，徐光輝.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]賀拴海.橋梁結構理論與計算方法[M].北京：人民交通出版社，2003.