大懸臂預應力蓋梁設計及計算分析

■蔡志超

（福州市規劃設計研究院，福州 350108）

0 引言

目前，城市高架橋的建設除了考慮安全、經濟、適用、美觀等要求外[1]，還要盡可能的少占用城市用地?？紤]到城市建設用地緊張，要在規劃紅線范圍內盡可能的利用空間，尤其在主線布設大量高架橋的情況下，更應該充分利用主線高架橋的橋下空間進行布設輔路。同時，在當前大力推行構件標準化施工的趨勢下，高架橋標準段采用大懸臂蓋梁接預制小箱梁作為推薦方案具有著顯著的優勢。大懸臂蓋梁接預制小箱梁施工周期短、造價低、施工質量易于控制，結構的整體性好、梁高小且外觀美，橋下空間大，占地面積小，特別適用于架設大量高架橋且施工時間緊張的工程。

1 工程概況

東南快速通道為福州濱海新城規劃的“兩縱五橫”快速公路網中的橫向骨架道路，項目地處長樂，起于道慶洲大橋長樂側，經營前、首占、古槐、文武砂，至濱海新城核心區，主線全長約15.3km，其中主線高架橋總長約10.1km，橋梁占比66%。本工程的設計技術指標：主線道路等級為一級公路兼城市快速路，雙向八車道，設計時速為80km/h；輔路為城市次干路，設計時速為40km/h；設計荷載為公路-I級兼城-A級，設計安全等級為一級。

2 設計方案

橋墩蓋梁的設計須考慮受力、功能、經濟、施工技術和管理等因素，尤其考慮與上部構造中梁的外形及周圍環境協調的問題，做到美觀輕巧、與周邊環境和諧勻稱，盡量少占地，保證良好的通視條件，使橋下行人舒適。在保證墩柱結構強度的前提下，同時考慮到與箱梁斷面形式相匹配。本工程主線橋采用35m的標準跨徑，其橋墩及蓋梁設計如圖1形式。

圖1 17m寬大懸臂蓋梁接預制小箱梁橫斷面圖（單位：cm）

主線高架橋橋寬17m，上部結構采用6片預制連續小箱梁，梁高1.8m，下部結構采用雙柱式預應力砼大懸臂蓋梁，懸挑長度為4.5m，“工”字形承臺，雙排樁。

預應力砼大懸臂蓋梁預應力布置圖如圖2。

圖2中數字編號代表預應力張拉順序，總共分為三次張拉。考慮到小箱梁吊裝順序對大懸臂蓋梁各個截面受力有影響，同時也為了降低施工難度，本次設計實現了預制小箱梁不對稱吊裝下大懸臂蓋梁都能滿足承載力要求。施工順序如下：

（1）墩柱施工完成并達到強度要求后，搭設蓋梁支架和模板，綁扎蓋梁鋼筋，布置蓋梁預應力鋼束，澆筑蓋梁混凝土。蓋梁混凝土強度達到100%且養護齡期不小于7天，張拉第一批鋼束，即 T1-B、T1-C、T2-B、T2-C 和 T3-C。

（2）從蓋梁左邊至右邊小樁號側小箱梁編號分別為A-1～A-6，架設這6片小箱梁位置不分先后以減小施工難度。

圖2 大懸臂蓋梁預應力布置圖（單位：cm）

（3）張拉第二批鋼束，即 T1-A、T1-D、T3-B 和 T3-D。

（4）從蓋梁左邊至右邊大樁號側小箱梁編號分別為B-1～B-6，架設這6片小箱梁位置也不分先后以減小施工難度。

（5）張拉第三批鋼束，即 T3-A、T2-A、T2-D 和 T3-E。

3 計算模型分析

采用橋梁設計軟件Midas/Civil進行空間模型建立，其中蓋梁劃分為18個梁單元，雙柱式橋墩根據實際高度劃分為8個梁單元，預應力鋼絞線均采用15-Φs15.2，墩底進行固結，如圖3。

圖3 17m橋寬預應力砼大懸臂蓋梁Midas Civil模型

施工工況根據實際施工工序進行劃分：（1）搭設支架蓋梁墩柱成形；（2）張拉第一批鋼束；（3）拆除施工支架最不利架橋機荷載施加 架設 第一孔小箱梁；（4）張拉第二批鋼束；（5）架橋機荷載施加 架設第二孔小箱梁；（6）張拉第三批鋼束；（7）架橋機拆除，橋面系施工。提取各個工況中分三次張拉預應力的計算結果如下圖4所示：

圖4 不對稱吊裝各工序下預應力混凝土大懸臂蓋梁計算結果

4 結構受力分析

4.1 截面邊緣混凝土的法向容許應力

施工階段在預應力和構件重力等施工荷載作用下，截面邊緣混凝土 （凝土強度等級C50）的法向容許應力為：

壓應力：0.70fck′=0.70×0.85×32.4=19.3MPa

拉應力： 0.70ftk′=0.70×0.85×2.65=1.58MPa

由圖4可知，大懸臂蓋梁張拉完第一批預應力鋼束最大壓應力為7.4MPa，墩柱最大壓應力為3.0MPa；第二批預應力鋼束張拉完最大壓應力為9.5MPa，墩柱最大壓應力為3.7MPa；第三批預應力鋼束張拉完最大壓應力為14.9MPa，墩柱最大壓應力為5.4MPa；成橋階段最大應力為14.4MPa，墩柱最大壓應力為5.2MPa，滿足設計規范要求。

4.2 正常使用極限狀態的抗裂驗算

在構件重力、預應力、溫度等作用下，按短期效應組合和長期效應組合進行正截面、斜截面的抗裂性驗算，各階段容許應力分別為：

A類預應力混凝土構件，短期效應組合下的正截面混凝土的拉應力：

現場澆筑構件：0.70ftk′=0.70×2.65=1.855MPa

A類預應力混凝土構件，長期效應組合下的正截面混凝土不產生拉應力；

A類預應力混凝土構件，短期效應組合下的斜截面混凝土的主拉應力：

砼強度等級 C50 0.50ftk′=0.50×2.65=1.325MPa

由計算結果可知，短期和長期效應組合下的正截面混凝土均不產生拉應力。

短期效應組合下的斜截面混凝土最大拉應力為0.72MPa，小于容許拉應力1.325MPa，滿足設計規范要求。

4.3 正常使用極限狀態的壓應力驗算

使用階段在構件重力、預應力、溫度等作用下，正截面混凝土的法向壓應力和斜截面混凝土的容許主壓應力[2-3]為：

受壓壓區混凝土的最大壓應力：0.50fck=0.50×32.4=16.2MPa

砼主壓應力：0.60fck=0.60×32.4=19.44Pa

由計算結果可知，使用階段下正截面混凝土的法向壓應力最大為13.1MPa，小于容許壓應力16.2MPa，滿足設計規范要求；使用階段下斜截面混凝土的主壓應力最大為13.1MPa，小于容許壓應力19.44MPa，滿足設計規范要求。

5 結論

針對本項目主線高架設計采用大懸臂蓋梁接預制小箱梁，并進行了預應力砼大懸臂蓋梁施工過程中各個工序的模擬和計算分析：預應力砼大懸臂蓋梁采用三次分開張拉預應力，在預制小箱梁不對稱吊裝的情況下大懸臂蓋梁的應力均能滿足設計規范要求，為箱梁吊裝施工提供了可靠的指導性方案。