大懸臂預應力蓋梁設計與計算分析

羅鵬

中國華西工程設計建設有限公司深圳分公司 518000

摘要：以大懸臂預應力混凝土蓋梁為分析對象，籠統的介紹了公路橋梁大懸臂預應力混凝土蓋梁的設計背景、蓋梁基本知識、技術標準、施工工作中應注意的幾個問題。

關鍵詞：大懸臂預應力；混凝土；蓋梁設計；計算分析

1.設計背景

在城市橋梁建設中，周圍環境對橋梁上下部分結構的選型影響較大，要使橋梁結構與周圍環境在空間上相協調滿足城市景觀的要求，橋下也要有足夠的行車道寬度。城市的交通工程難以在短時期內竣工，這就對城市的交通起了一定阻礙作用。然而城市的不可間斷性也制約著工期，因而城市的上部結構一般采用預制拼裝，下部結構要保證橋下有足夠行車寬度和視野通透，使得車輛在道路中安全行駛。

2.蓋梁設計概況

對某高架橋雙墩柱大懸臂預應力蓋梁進行了分析，從大懸臂預應力蓋梁的受力模式和計算方法等方面進行了論述，分析了計算結果，可作為該類型蓋梁設計的參考。

2.1 技術標準

（1）設計速度；

（2）設計荷載；

（3）橋梁寬度；

（4）地震烈度。

2.2 蓋梁尺寸

蓋梁尺寸對整個蓋梁設計有重要的作用，它是設計和施工的基礎。上部構造預應力混凝土小箱梁，下部結構受市政路干擾較大，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型形式，，T形結構尺寸設計可分為蓋梁長度、兩側各懸臂、兩墩柱中心間距、順橋向頂寬度，兩側墊石平臺寬度根部高度端部長度值。蓋梁由根部到端部采用圓弧形過渡。在弧形處最好設置上監控攝像頭和路面提供限速標志，防止司機的車速太快出現交通事故。

2.3 蓋梁預應力鋼束

預應力混凝土蓋梁混凝土結構，預應力鋼束采用的絞線，預應力鋼束布置都要符合國家標準，相應有關參數如下：

（1）預應力管道采用塑料波紋管；

（2）管道摩擦系數；

（3）管道偏差系數；

（4）鋼筋回縮和錨具系數；

（5）張拉控制應力。

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%時張拉鋼束達到國家標準值；

（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；

（4）二期恒載施工。

3.預應力體系

蓋梁采用高強度混凝土，預應力鋼束采用高強度低松弛預應力鋼絞線，抗拉強度超高，彈性模量超大。采用塑料波紋管，預應力灌漿采用真空灌漿工藝，提高了負荷量。每個蓋梁的設計需要與施工實際工序結合，從施工的角度看，預應力拉張批次越少越有利，普遍情況下次數不要超過兩次，拉張鋼束的批次對施工階段的蓋梁受力影響很大，需要謹慎設計張拉批次。考慮到在預應力和結構件自重等施工荷載作用下，載面邊緣混凝土的法向應力要滿足公橋規的規范要求。

4.結構建模分析

蓋梁的受力采用橋梁博士V3.1軟件進行建模計算分析，橋墩立柱一般采用實體墻式墩和常規橋墩形式，但是如果在設計過程中采用實體墻式墩，建模不恰當會降低計算的準確性，與實際情況有一定的偏差，所以在施工過程中有3中建模方式。

（1）因模型采用平面桿系，不能真實的反映出橋墩橫向寬度內部和蓋梁之間銜接的情況，這樣設計不僅增加了蓋梁懸臂長度，耗費了材料，投入了大筆資金，最重要的是對計算引起一定的偏差，因而采用將蓋梁和立柱一起建模模型，保證了數據的準確性。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。

（2）建立蓋梁模型，將蓋梁與橋墩中心連接處假想為固定銜接，在立柱橫向寬度內將節點假設為活動銜接。這種模型的建立能較接近實際情況，并且在處理數據時簡捷快速，方便的計算結果。

（3）在建立蓋梁模型中如果刪去蓋梁在橋墩橫向范圍內的部分，只思考懸臂部分作用就會對鋼束引伸量等其他結構產生不良影響，增加了計算結果的難度。

由上述所列的三個模型我們可以清楚地知道模型建立的利弊，在選擇時要慎重考慮，防止為后期工程的建設埋下不必要隱患。

5.施工階段控制應力

為了保證架設預制梁和成橋時蓋梁混凝土不被拉壞，蓋梁設計要在正常使用階段應力滿足公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范要求。蓋梁施工控制應力直接決定預應力束的布束形式和預應力的張拉次序。

6.施工階段劃分為

（1）澆筑蓋梁；

（2）架設小箱梁；

（3）澆筑現澆層鋼束；

（4）張拉下排，橋面鋪裝及防撞墻等二期恒載施工。小箱梁蓋梁采用國標鋼束，鋼束均從蓋梁頂過。鋼束分上下兩排布置，上下排布置的股數由于受力不同而不同。

7.運營階段應力分析

因為使用階段預應力混凝土受彎構件正截面混凝土的壓應力和預應力鋼筋的拉應力運營階段要按長期荷載作用、短期荷載作用進行分析驗算。

8.預應力蓋梁設計與應用

以城軌某獨柱高價車站大懸臂蓋梁設計為例子，和鐵路橋涵、建筑兩類規范的混凝土結構設計理論相比較，在同一預應力蓋梁的構件設計中，分別采用容許應力法和極限狀態法進行強度檢算，使得極限狀態法強度安全儲備系數較高且經濟適用。但是容許應力法相對來說比較保守以現代規范推薦的容許應力法進行蓋梁預應力設計，通過采用聯眾鋼束線形布置方式，對二者比較應力指標，可降低施工階段拉應力并獲得較高強度的安全系數，最好再提出高架車站大懸臂蓋梁設計中預應力束形調整的相關因素。

9.計算方法

計算方法要求的內容進行內力、應力等承載力計算，按構件結構驗算在施工階段、使用階段應力等方面是否符合規范要求。計算采用Midas 2010進行空間桿系分析，避免了人為分析中可能由于粗心而犯不必要的錯誤。

10.承載能力極限狀態強度驗算

按照橋梁承載能力狀態計算要求，主梁一定要堅固，前期的基礎準備必須打扎實。況且主梁應滿足各個方面的要求如下：

（1）正截面抗彎強度驗算；

（2）斜截面抗剪強度驗算；

（3）持久狀況正常使用極限狀態驗算；

（4）正應力驗算；

（5）長期、短期效應組合正截面混凝土的拉應力圖；

（6）主拉應力驗算。

11.施工注意事項

（1）應嚴格按照設計，遵守設計規則，對各個階段的工程設計查找書籍看看設計環節是否滿足理論應用，在設計完之后對方案進行實際狀況的吻合評估。

（2）在施工前必須要對蓋梁支架或托架進行設計，它們是承擔整個橋梁的基礎，在橋梁構件中占有舉足輕重的地位，本工程的預應力蓋梁為后張預應力混凝土構件，因此需要采用托架或支架法澆筑蓋梁。

（3）嚴格控制張拉工藝，應及時查明原因，失敗是成功之母，我們也應該感謝失敗，這樣能提前認識到我們在設計時哪個環節沒有控制好。張拉過程中應盡量減少預應力損失。

12.結語

預應力采用T形式大懸臂結構，將橋梁的上下部分結構融為一體，同時體現出了柔、輕、巧的特性。蓋梁橋下空間大，既要能讓大量的車輛通過，又要不發生任何安全事故。由于大量的車輛加起來對橋梁的負重大，橋梁橫橋向跨越能力就要增強，在結構耐性和承受重力的要求就相對高。但預應力蓋梁設計相對復雜，施工技術難度較大，在設計方案是增加了難度，這就要求設計者要有豐富的經驗和把各個城市橋梁的特性匯總起來，找到適合我們城市橋梁的構件特點。在建模時要盡可能反應實際情況，提高模型計算的準確性，布置預應力時，盡量將預應力鋼束布置在蓋梁結構的上緣，固端鋼束彎起角度也盡量一致，來減少施工難度和預應力損失。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的蓋梁設計的參考。

參考文獻：

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