公路橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計

山東通達路橋規(guī)劃設(shè)計有限公司 264003

摘要：隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，公路橋梁得跨徑原來越大，橋面也越來越寬，有關(guān)規(guī)范規(guī)定八車道的高速公路一般路基寬度為45m，傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土蓋梁已不能滿足較寬橋梁的建設(shè)需要。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；蓋梁；設(shè)計；應(yīng)用

在常規(guī)的公路橋梁設(shè)計中，橋面寬度一般都不太寬，單幅的寬度大多不超過13 m，而橋墩蓋梁墩柱的跨徑一般小于10 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有成本較低、施工方便的優(yōu)點，因此大部分橋梁的橋墩蓋梁均采用此類結(jié)構(gòu)。然而，在某些特殊的環(huán)境中，由于線位與現(xiàn)有地物相互干擾，而拆遷又不可行或拆遷代價較大時，預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁就成為了一種較佳的選擇。本文將結(jié)合工程實例，就預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計作簡要的探討和分析。

一、設(shè)計和施工背景

在高速公路建設(shè)過程中往往會遇到大河、水渠或與其他橋梁斜交等等，這些特殊的路段因為工期需要不得避讓時，我們就會選擇加大跨度。因此普通鋼筋混凝土蓋梁一般不易滿足要求，須采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。例圖一為某地橋梁的設(shè)計圖，此橋墩按全幅雙柱設(shè)計，以減少墩柱數(shù)量。墩蓋梁全寬為23.3m，跨徑（柱間距）為13.5m（詳見圖一）。

圖一 蓋梁總體尺寸

二、蓋梁受力特點

蓋梁是一個承上啟下的重要構(gòu)件，他起著將上部結(jié)構(gòu)恒載和活載傳遞給墩柱和基礎(chǔ)，因此蓋梁設(shè)計是下部結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個關(guān)鍵的部分。蓋梁受到彎、剪、扭三種內(nèi)力作用，其中在施工階段和活載作用時蓋梁承受的扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力相比豎向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力較小，同時也不屬于永久荷載，所以一般不作為設(shè)計計算的一部分，而是通過適當加強抗剪鋼筋的辦法來抵抗扭轉(zhuǎn)內(nèi)力的影響，所以蓋梁是一種典型的以彎剪受力為主構(gòu)件。與外加荷載相比，蓋梁自身產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力很小，蓋梁上絕大部分的力來自于上部結(jié)構(gòu)恒載和活載經(jīng)支座傳遞的集中力。

三、預(yù)應(yīng)力蓋梁計算要點

為了加快設(shè)計進度，縮短設(shè)計周期，預(yù)應(yīng)力蓋梁等橋梁結(jié)構(gòu)的計算一般均實現(xiàn)了借助計算機按有限元方法計算。預(yù)應(yīng)力蓋梁計算前面臨著以下三個問題：

1.單元的簡化預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁單元和其他預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁單元一樣，簡化成平面桿系單元運用結(jié)構(gòu)計算程序（如“橋梁博士”）進行計算，這樣不但計算簡單，而且總體計算結(jié)果能夠滿足設(shè)計要求，至于局部區(qū)域（如支座墊石附近、蓋梁和墩柱結(jié)合部位）的應(yīng)力集中，可用加強構(gòu)造鋼筋的辦法來抵抗。沒必要將單元模擬成實體單元，雖然計算結(jié)果更加準確，但計算過程過于復(fù)雜。經(jīng)實踐證明預(yù)應(yīng)力蓋梁用平面桿系單元模擬能夠滿足設(shè)計要求。

2.荷載的簡化

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁主要受到本身自重以及上部結(jié)構(gòu)梁體、橋面鋪裝、防撞護欄（或欄桿）等自重和活載經(jīng)支座傳遞過來的集中力，其中蓋梁自重計算程序自身會考慮，上部結(jié)構(gòu)梁體、橋面鋪裝、防撞護欄（或欄桿）等自重一般比較明確并易于計算，在計算程序中只要作為集中力加載上去即可，反而是活載比較復(fù)雜，需對它進行必要的簡化。

蓋梁活載為汽車荷載和掛車荷載通過梁體和支座傳遞，作為集中力作用在蓋梁上。要準確計算蓋梁內(nèi)力最不利情況下活載引起的各支座反力，大致分以下五個步驟：

① 首先求出T 梁縱橋向支座反力影響線；

② 根據(jù)T 梁縱橋向支座反力影響線布置活載，求出最大支反力；

③ 同一片T 梁的剪力橫向分布系數(shù)沿梁長并非常數(shù)，而且在支點和跨中處的計算方法一般也不相同，這一點與計算彎矩的荷載橫向分布系數(shù)是有區(qū)別的[如圖1]；

圖1

a）T 梁支座反力影響線；b）車隊縱橋向布置；c）第j號T 梁剪力橫向分布系數(shù)圖

④ 對于蓋梁某種特定情況的最不利內(nèi)力，在求解各T 梁的剪力橫向分布系數(shù)時車輪橫橋向位置是固定不變的，這與求解各T 梁的最大剪力橫向分布系數(shù)不同，后者每片T 梁都對應(yīng)不同的車輪橫向布置[圖2]

圖2 不同位置最不利內(nèi)力對應(yīng)的車輪橫橋向布里

a）墩頂負彎矩最大時的車輪布置；b）跨中正彎矩最大時的車輪布里

⑤ 根據(jù)求得的橫向分布系數(shù)和最大支反力求得活載經(jīng)梁體傳遞作用在蓋梁的各集中力。

雖然上述理論分析并不困難，但是實際操作起來非常繁瑣，不利于計算。鑒于此，將預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁單元假設(shè)成橋面單元，讓活載

車輛直接在蓋梁上橫向布置，求得蓋梁最不利內(nèi)力。雖然這種簡化使得計算結(jié)果內(nèi)力有所偏差，但是活載所占內(nèi)力比例不太大（約30%），所以簡化說產(chǎn)生的偏差也不會太大，尤其對于上部結(jié)構(gòu)為空心板的橋梁，由于支座橫向間距較小，這種簡化產(chǎn)生的偏差就更小，能夠滿足設(shè)計要求。

3.邊界條件的簡化

在預(yù)應(yīng)力蓋梁計算時，發(fā)現(xiàn)邊界條件采用不同的模擬形式，對墩柱頂負彎矩的影響較大，因此蓋梁和墩柱聯(lián)結(jié)的合理簡化，對計算至關(guān)重要。在對邊界條件進行簡化分析前，首先對墩柱頂?shù)氖芰M行分析。蓋梁和墩柱的聯(lián)結(jié)實際上是具有一定長度的固結(jié)，由此，墩柱頂負彎矩最不利截面并不是出現(xiàn)在墩柱中心處，而是出現(xiàn)在接近墩柱邊緣線的截面。

在實際計算中，我們往往將蓋梁和墩柱的聯(lián)結(jié)簡化成三種情況：經(jīng)計算比較，三種簡化方法中，簡化方法①，支點控制截面負彎矩最大，和實際有點差異，需作適當?shù)摹跋鞣濉碧幚恚缓喕椒á谥c控制截面負彎矩較方法①小很多，但是負彎矩值與所模擬的兩點鉸支座的距離密切相關(guān)，而兩點鉸支座距離的確定目前還缺少足夠的依據(jù)，本次比較計算簡單采用墩柱的邊緣作為鉸支座的位置，偏不安全；簡化方法③，支點控制截面負彎矩和簡化方法①比較，如果是獨柱墩相差甚微，如果是門墩，外側(cè)截面和簡化方法①相近，內(nèi)側(cè)截面和簡化②相近。所以在實際設(shè)計中采用簡化方法①和簡化方法③均可以。

四、計算方法

施加在蓋梁上的恒載及活載值可采用上部縱梁的支座反力值，該反力值可從主梁的縱向計算結(jié)果中獲取，也可根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[1]中規(guī)定的加載方向?qū)τ绊懢€手工加載。橋上部采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，在施工過程中，上部結(jié)構(gòu)進行了體系轉(zhuǎn)換：架設(shè)裝配式預(yù)制小箱梁→張拉小箱梁負彎矩鋼束，完成體系轉(zhuǎn)換→施加防撞護欄、鋪裝等二期恒載。小箱梁轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)結(jié)構(gòu)后，橋墩蓋梁處的恒載支座反力會增大，因此其值最好從縱梁的計算結(jié)果中獲取。由于預(yù)制小箱梁一般采用架橋機架設(shè)，因此施工階段還應(yīng)考慮架橋機對蓋梁施工的影響。

汽車活載布置可以在平面桿系程序里用自定義車輛的方法自動完成。一般來說，在建模過程中，活載支反力計算方法可分成以下兩種：其一是將蓋梁及墩柱建模，考慮車輪在橋梁橫向可能的行車位置，直接將汽車活載作用于蓋梁頂面；其二是在蓋梁及墩柱建模的同時，建立一道虛擬梁，與蓋梁通過主從約束連接來實現(xiàn)反力的傳遞，活載作用于虛擬梁上。

通過計算比較兩種方法，計算結(jié)果基本一致。為簡便起見，施工中大多數(shù)程采用第一種方法對預(yù)應(yīng)力蓋梁進行計算。

五、工程實例

此處以保山一龍陵高速公路門架墩預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁（適用于4D mT 形梁橋）為工程實例，蓋梁設(shè)計和計算共分如下五步：

（l）擬定蓋梁的結(jié)構(gòu)尺寸，建立計算模型實體結(jié)構(gòu)如圖3，計算模型如圖4 C。

（2）對計算模型劃分施工步驟

a.澆筑蓋梁，養(yǎng)護，拆除模板；

b.張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束；

c.吊裝第一組T 梁，安裝在蓋梁的懸臂部分；

d.吊裝第二組T 梁，安裝在蓋梁的跨中部分；

e.張拉第二批預(yù)應(yīng)力鋼束；

f.施工橋面鋪裝及防撞護墻等二期恒載；

g.施加汽車活載。

（3）布置預(yù)應(yīng)力鋼束（如圖5）

圖5 蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置

（4）查看各階段應(yīng)力圖，調(diào)整預(yù)應(yīng)力至滿足設(shè)計要求這里必須強調(diào)，查看應(yīng)力圖時一定要逐個施工階段進行檢查，不能只查看營運階段。因為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的施工階段（尤其是施加預(yù)應(yīng)力的階段）有時也是控制設(shè)計的，必須逐個檢查，決不能忽視。

（5）結(jié)果分析圖6 a）為蓋梁在張拉第一批預(yù)應(yīng)力時的應(yīng)力。此時蓋梁最大壓應(yīng)力3.3MPa、，最大拉應(yīng)力0.8 MPa，滿足施工階段設(shè)計要求。

圖6 部分重要階段蓋梁應(yīng)力圖

圖6b）為蓋梁在竣工階段應(yīng)力。竣工時蓋梁上下緣應(yīng)力較均勻，最大壓應(yīng)力6.8MPa，最小壓力儲備1.2MPa，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，滿足施工階段設(shè)計要求。

圖6 c）為蓋梁在營運階段的應(yīng)力。營運時蓋梁最大壓應(yīng)力8.7MPa，最大拉應(yīng)力2.6 MPa，且拉應(yīng)力僅在墩頂左截面處出現(xiàn)，其余處均為壓應(yīng)力。由于墩頂左截面處控制標準可以適當放寬，因此可以認為本設(shè)計滿足營運要求。

結(jié)語

通過一系列的工程實例表明預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁具有預(yù)應(yīng)力構(gòu)件節(jié)約鋼材和混凝土的優(yōu)點，經(jīng)濟效益顯著，而且結(jié)構(gòu)輕巧美觀，故大跨徑預(yù)應(yīng)力蓋梁將成為發(fā)展的必然趨勢。

參考文獻：

[1] JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 袁倫一.橋面連續(xù)簡支梁橋墩臺計算實例[M].人民交通出版社.