大跨度預(yù)應(yīng)力砼蓋梁受力分析及其在實際工程中的應(yīng)用

劉 勇，郭俊峰

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015）

近年來隨著城市建設(shè)的發(fā)展和城市路網(wǎng)的密集，相交道路在平面上發(fā)生沖突及城市高架橋受地下管涵、地鐵等結(jié)構(gòu)影響的問題也隨之增多。為了不影響下方道路的使用和通行，避開地下管涵、地鐵等結(jié)構(gòu)，經(jīng)常采用大跨度預(yù)應(yīng)力砼蓋梁將墩柱放在路幅或地下結(jié)構(gòu)以外。文章以武漢市某高架橋工程中大跨度預(yù)應(yīng)力砼蓋梁橋墩設(shè)計為例，設(shè)計時通過設(shè)置臨時支座（已申請并通過“一種適用于大跨度預(yù)應(yīng)力蓋梁體系轉(zhuǎn)換的臨時支座裝置”的發(fā)明專利），確保蓋梁在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成前保持簡支狀態(tài)，鋼束全部張拉完成后后澆預(yù)留的墩柱與蓋梁結(jié)合段的混凝土，完成體系轉(zhuǎn)換，使其中一個墩柱與蓋梁固結(jié)。體系轉(zhuǎn)換的目的主要在于克服施工過程中預(yù)應(yīng)力砼蓋梁跨中較大的預(yù)應(yīng)力損失，以達(dá)到盡量減小墩柱的截面尺寸的目的。通過這種設(shè)計思路對該類型大跨度預(yù)應(yīng)力砼蓋梁的受力分析、設(shè)計方法進(jìn)行探討，以便為以后該類型橋墩設(shè)計提供參考。

1 設(shè)計概況

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）汽車設(shè)計荷載：城-A 級；（2）設(shè)計速度：60km/h；（3）地震烈度：基本烈度6 度，按7 度設(shè)防，地震動峰值加速度0.05g；（4）設(shè)計溫度：體系整體升溫25℃，體系整體降溫25℃；橋面板局部升降溫按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）規(guī)范取值；（5）設(shè)計環(huán)境類別：Ⅰ類；（6）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1。

1.2 工程概況及橋墩結(jié)構(gòu)尺寸

橋墩為兩聯(lián)橋梁之間的聯(lián)接墩，橋墩北側(cè)橋梁設(shè)計為單幅橋，跨徑布置為（39.3+33.7+47）m 的連續(xù)鋼箱梁，橋?qū)?6m，在該橋墩上設(shè)置有兩個支座；橋墩南側(cè)橋梁設(shè)計為雙幅橋，其中LD1 聯(lián)跨徑布置為（2×50+38.976）m 的連續(xù)鋼箱梁，LX1 聯(lián)跨徑布置為（2×51+36.521）m 的連續(xù)鋼箱梁，橋?qū)捑鶠?2.75m，在該橋墩上共設(shè)置有四個支座。由于該橋墩處有一寬14.7m 的排水箱涵與橋梁斜交，導(dǎo)致該橋墩墩柱及基礎(chǔ)的布置受到限制，根據(jù)橋梁的總體平面布置，該橋墩設(shè)計為雙柱接蓋梁的橋墩形式。蓋梁總長25.3m，兩墩柱中心間距為22m，即蓋梁的計算跨徑為22m。蓋梁截面為等截面矩形，順橋向?qū)?.4m，高2.6m，蓋梁外側(cè)端部高2.0m，墩柱外側(cè)蓋梁底設(shè)0.6m×0.6m 的倒角。蓋梁底兩個墩柱的截面尺寸均為1.7m×1.7m，墩柱外側(cè)三面均設(shè)50mm 深凹槽，墩柱底設(shè)6.8m×2.6m×2.8m 的承臺，下接2 根直徑為φ1.6m 的樁基。左側(cè)墩柱與蓋梁相接處設(shè)置臨時支座，待蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束全部張拉完成并封錨后澆筑墩柱頂后澆段砼，完成體系轉(zhuǎn)換與蓋梁固結(jié)；右側(cè)墩柱頂設(shè)置永久橫向活動支座。

1.3 主要材料

橋墩蓋梁采用C50 砼，墩柱采用C40 砼，承臺采用C30 砼，樁基采用C30 水下砼。預(yù)應(yīng)力采用《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2003）標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線，公稱直徑d=15.2mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860MPa，錨下張拉控制應(yīng)力σcon=1395MPa，鋼束管道采用預(yù)埋塑料波紋管成孔。

2 蓋梁計算

2.1 計算方法概述

蓋梁計算采用平面桿系理論，根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)的施工流程劃分結(jié)構(gòu)計算階段。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載組合反力，按集中荷載施加在蓋梁頂對應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)支座設(shè)置位置處，按A 類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計算結(jié)構(gòu)在施工階段及使用階段的內(nèi)力、應(yīng)力、極限承載力是否符合規(guī)范要求。計算要點：分批張拉的所有批次預(yù)應(yīng)力鋼束全部張拉完成錨固之前，均應(yīng)確保蓋梁處于簡支狀態(tài)。橋墩蓋梁預(yù)應(yīng)力布置圖如圖1 所示。

圖1 橋墩蓋梁預(yù)應(yīng)力布置圖

2.2 計算模型

本橋墩蓋梁采用同豪土木《橋梁博士V3.5.0》建立平面桿系模型進(jìn)行受力分析，墩柱及蓋梁均采用梁單元，墩柱底承臺的剛度按無窮大考慮。計算模型如圖2所示。

2.3 計算參數(shù)

恒載：一期恒載包括上部結(jié)構(gòu)箱梁自重及蓋梁自重；二期恒載包括橋面鋪裝、防撞護(hù)欄、分隔帶等。活載：汽車設(shè)計荷載為城-A 級；汽車荷載的偏載增大系數(shù)取1.15，考慮縱向分布影響，沖擊系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.2 條規(guī)范計算。溫度：按整體升溫25℃，整體降溫-25℃考慮?；A(chǔ)不均勻沉降按0.5cm 考慮。錨具的回縮量按6mm 考慮，塑料波紋管管道摩擦系數(shù)取0.17，管道偏差系數(shù)取0.0015。

圖2 橋墩計算模型簡圖

2.4 施工步驟

為了保證橋墩蓋梁在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的壓應(yīng)力σ，拉應(yīng)力。本橋墩應(yīng)嚴(yán)格按以下順序及施工步驟施工，應(yīng)保證在所有批次預(yù)應(yīng)力鋼束全部張拉完成錨固之前，均應(yīng)確保蓋梁處于簡支狀態(tài)。具體施工步驟：（1）先現(xiàn)澆墩柱至指定位置，在左側(cè)墩柱頂設(shè)臨時支座，右側(cè)墩柱頂設(shè)橫向活動支座；（2）搭設(shè)支架，澆筑墩頂蓋梁，張拉第一批蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束；（3）架設(shè)橋墩兩側(cè)的縱向主梁；（4）待橋墩兩側(cè)的兩聯(lián)主梁架設(shè)完成后張拉第二批蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束；（5）施工橋面鋪裝；（6）待橋墩兩側(cè)的兩聯(lián)橋面鋪裝全部施工完成后張拉第三批蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束；（7）鋼束張拉完成封錨后，澆筑左側(cè)墩柱頂后澆段混凝土，完成體系轉(zhuǎn)換；（8）進(jìn)行其他橋面附屬設(shè)施的施工，成橋通車。

3 蓋梁計算結(jié)果分析

3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析及模型計算結(jié)果，在承載能力極限狀態(tài)下蓋梁的最大彎矩出現(xiàn)在跨中偏右1.5m 處，下拉受彎，其值Md為58622kN·m，該處抗彎承載力設(shè)計值R 為88945kN·m，故蓋梁的抗彎強(qiáng)度滿足承載能力極限狀態(tài)下規(guī)范規(guī)定的要求。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析及模型計算結(jié)果，在承載能力極限狀態(tài)下蓋梁的最大剪力出現(xiàn)在左側(cè)墩柱中心對應(yīng)處，其值Vd為16827kN，該處斜截面內(nèi)混凝土和箍筋共同的抗剪承載力設(shè)計值Vcs為21207kN，故蓋梁的斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

3.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算

根據(jù)模型計算結(jié)果，在作用（或荷載）長期效應(yīng)組合下，蓋梁未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩柱頂對應(yīng)的蓋梁下緣，其值為3.61MPa。在作用（或荷載）短期效應(yīng)組合下，蓋梁未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在距左側(cè)墩柱中心2.763m 處（支座中心線處）對應(yīng)的蓋梁下緣，其值為1.48MPa，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在墩柱頂對應(yīng)的位置，其值為-0.632MPa，小于規(guī)范容許值1.325MPa。標(biāo)準(zhǔn)組合下最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在距左側(cè)墩柱中心2.763m處（支座中心線處）對應(yīng)的蓋梁上緣，其值為13MPa，小于規(guī)范容許值0.5fck=16.2MPa；最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在距左側(cè)墩柱中心2.763m 處（支座中心線處）對應(yīng)的蓋梁上緣，其值為13MPa，小于規(guī)范容許值0.6fck=19.44MPa。故蓋梁在正常使用階段其正應(yīng)力、主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。根據(jù)模型計算結(jié)果，在汽車荷載作用下，蓋梁跨中的最大位移為向下0.64cm，考慮撓度增長系數(shù)，跨中最大撓度1.425×0.64cm=0.91cm，小于計算跨徑的L/600=3.7cm，故蓋梁的剛度滿足設(shè)計要求。由預(yù)加力引起的反拱值為1cm，預(yù)加力引起反拱的長期增長系數(shù)取2.0，則預(yù)加力引起的長期反拱值為1cm×2.0=2.0cm ＞跨中最大長期撓度0.91cm，故本蓋梁可不設(shè)預(yù)拱度。正常使用狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力為1156MPa≤0.65fpk=1209MPa，預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.3 短暫狀況蓋梁應(yīng)力計算

根據(jù)模型計算結(jié)果，在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件自重等施工荷載下各施工階段蓋梁的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力如表1所示。

表1 施工階段蓋梁應(yīng)力表 單位：MPa

由以上結(jié)果可以看出，在各施工階段蓋梁截面邊緣的最大壓應(yīng)力14.6MPa≤0.70fck’=22.68MPa，最大拉應(yīng)力1.3MPa≤0.70ftk’=1.855MPa，故施工階段蓋梁的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

大跨度預(yù)應(yīng)力砼蓋梁結(jié)構(gòu)作為一種非常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式，可以有效避開橋下地面道路或地下建（構(gòu)）筑物，減少用地拆遷，節(jié)省橋下用地空間。設(shè)計時借鑒目前橋梁上部結(jié)構(gòu)施工廣泛使用的體系轉(zhuǎn)換方法，通過設(shè)置臨時支座，分階段對蓋梁進(jìn)行受力分析，待蓋梁的預(yù)應(yīng)力全部張拉完成后通過后澆預(yù)留的墩柱與蓋梁結(jié)合段的混凝土，盡量減少施工過程中預(yù)應(yīng)力砼蓋梁的預(yù)應(yīng)力損失，以達(dá)到有效減小墩柱的截面尺寸及減小墩柱的受力的目的。因本設(shè)計要求蓋梁的所有預(yù)應(yīng)力張拉完成錨固之前必須確保蓋梁處于簡支狀態(tài)，所以在施工時必須采取可靠措施以確保蓋梁的穩(wěn)定，以防施工過程中發(fā)生傾覆。