大懸臂倒T型蓋梁設計

劉 彬，萬淑敏，張守龍，張煥榮

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266101）

1 設計概況

城市橋梁設計中，城市高架橋梁通常需要盡可能減少橋梁結(jié)構(gòu)高度與占地面積，在充分保障橋下凈空、減少征地拆遷的同時，也有利于使橋梁整體結(jié)構(gòu)顯得更加通透、高挑。大懸臂倒T型蓋梁較好地解決了這一問題[1]。

青島市遼陽路快速路是青島市“三縱四橫”快速路網(wǎng)的第二橫，對快速疏解城市交通起著重要作用。遼陽路快速路二期工程的標準橋?qū)挒?5 m，上部結(jié)構(gòu)采用簡支預制小箱梁，主跨35 m，梁高1.8 m；下部結(jié)構(gòu)為倒T型大懸臂雙柱蓋梁，柱距5.2 m，懸臂長8.05 m，橋梁標準橫斷面見圖1。本文結(jié)合遼陽路快速路二期工程，對本類型蓋梁設計思路、設計方法及受力情況進行探討分析。

圖1 橋梁標準橫斷面（單位：cm）

2 大懸臂倒T型蓋梁設計

2.1 技術(shù)標準

道路等級：城市快速路。

設計時速：60 km/h。

凈空要求：主線橋下地面輔路凈空不小于4.5m。

2.2 倒T型蓋梁結(jié)構(gòu)設計

為滿足橋下輔路凈空需求，蓋梁懸臂長8.05 m，根部高3.6 m，端部高2.9 m；蓋梁中心到端部采用直線過渡，蓋梁寬3.2 m，中部實心段寬1.2 m，兩側(cè)小箱梁搭接位置各1 m。本文選取標準跨徑處，A型倒T蓋梁進行研究。蓋梁采用C50混凝土，按A類預應力混凝土構(gòu)件設計，共布置12束低松弛高強鋼絞線，豎向分4層布置，每層3束；頂?shù)?層為12股，中間2層為15股，錨下張拉控制應力σcon=1 360 MPa。倒T型蓋梁鋼束布置見圖2。

圖2 倒T型蓋梁鋼束布置圖（單位：cm）

2.3 施工階段劃分

第1階段：澆筑C40橋墩和C50蓋梁混凝土，混凝土強度和彈性模量達到100%時依次張拉第1批N1、N4鋼束。

第2階段：上部小箱梁架設。

第3階段：張拉第2批N2、N3鋼束。

第4階段：澆筑上部小箱梁濕接縫并施工二期橫載。

第5階段：考慮成橋運營階段的收縮徐變。

3 桿系及空間結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 模型建立

采用Midas Civil/FEA分別建立蓋梁桿系與實體模型。

模型結(jié)構(gòu)：桿系模型利用梁單元建立蓋梁及橋墩，實體模型采用自動劃分六面體為主導的空間網(wǎng)格，建立蓋梁與橋墩。

鋼束：實體模型采用3D曲線創(chuàng)建鋼束形狀，對3D曲線進行自動網(wǎng)格線劃分，從而創(chuàng)建鋼束。

邊界：對橋墩底部按全固結(jié)考慮。

荷載：橫載按實際位置添加，桿系模型活載采用橫向移動荷載，以縱向活載計算結(jié)果作為單車道荷載，在蓋梁頂進行影響線加載[2]；實體模型采用單梁縱向活載計算結(jié)果，根據(jù)橫向分布系數(shù)，在支座位置施加集中力進行最不利加載。

3.2 運營階段受力分析

3.2.1 實體模型主要應力狀態(tài)

根據(jù)實體模型的主要計算結(jié)果，對受力最不利的懸臂根部截面，分別提取橫載和活載的主要應力結(jié)果。

橫載作用正應力云圖、活載作用正應力云圖和作用頻遇值組合主應力云圖分別見圖3、圖4和圖5。

圖3 橫載作用正應力云圖（單位：MPa）

圖4 活載作用正應力云圖（單位：MPa）

圖5 作用頻遇值組合主應力云圖（單位：MPa）

3.2.2 桿系模型與實體模型主要應力狀態(tài)比較

對桿系模型與實體模型，針對主要規(guī)范內(nèi)荷載組合與驗算內(nèi)容[3-4]進行相應的比較，比較結(jié)果見表1。其中的實體模型結(jié)果忽略了鋼束錨固區(qū)的應力集中，壓應力為正，拉應力為負。

表1 正常使用極限狀態(tài)桿系模型與實體模型應力 MPa

由表1可知，對于頻遇與準永久組合上緣正應力，實體模型結(jié)果均大于桿系模型結(jié)果；對于頻遇與準永久組合下緣應力，2種模型應力結(jié)果較為接近；對于斜截面剪應力，實體模型較大，已經(jīng)接近截面允許應力。

考慮到2種模型活載加載方式的不同，以及收縮徐變、梯度溫度等產(chǎn)生的截面上緣正應力，在正常使用極限狀態(tài)下，實體模型與桿系模型各應力結(jié)果較為相近，均滿足規(guī)范[4]要求，但是，截面上緣應力儲備較為充足，截面下緣應力儲備較少。

3.2.3 實體模型橫向應力分析

倒T型蓋梁橫斷面方向為普通鋼筋混凝土構(gòu)件，準永久組合作用下，提取實體模型橫向應力結(jié)果，見圖 6、圖 7。

圖6 大于0 MPa橫向拉應力云圖（單位：MPa）

圖7 大于0.5 MPa橫向拉應力云圖（單位：MPa）

由圖6、圖7可以看出，倒T型蓋梁橫向拉應力主要分布在蓋梁實心部分、蓋梁牛腿上緣和橋墩中部，拉應力大小基本位于0～0.5 MPa范圍內(nèi)，除預應力張拉錨固區(qū)存在局部應力集中外，在橋墩與蓋梁相接處的局部位置，橫向拉應力達到了1.8MPa。建議配筋設計時，在此處根據(jù)拉應力大小，合理配置鋼筋。

4 結(jié)語

（1）對于分批張拉、蓋梁下緣不設置預應力鋼束的大懸臂倒T型蓋梁，在保持截面上緣有一定應力儲備的同時，也應注意截面下緣的應力狀態(tài)，避免下緣截面開裂。

（2）對于小柱距、大懸臂倒T型蓋梁，桿系模型與實體模型在整體應力分布上的結(jié)果基本一致的，主要受力截面的應力結(jié)果也較為接近，但是局部位置由于不再符合平截面假定和小變形假設，在墩柱與蓋梁相接處及蓋梁張拉錨固區(qū)存在局部應力集中，無法對局部應力進行有效分析和合理配筋。因此對此類小柱距、大懸臂蓋梁有必要進行實體模型分析。