城市橋梁預(yù)制拼裝蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算探析

魏 瀾

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350003)

0 引言

隨著我國(guó)城市橋梁建設(shè)的迅猛發(fā)展和城市道路快速化改造的大力推廣，城市高架橋建設(shè)越來(lái)越受到政府、建設(shè)單位和施工單位等的重視。尤其是高架橋下部結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)施工方法常常會(huì)阻斷交通，產(chǎn)生大量噪聲，對(duì)周邊環(huán)境影響較大。如何在保證施工質(zhì)量前提下，盡可能減少高架橋下部施工對(duì)交通、環(huán)境等的影響，使橋梁建設(shè)真正做到安全、經(jīng)濟(jì)、適用和美觀，是一個(gè)值得思考探索的問(wèn)題[1-2]。

橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配化是加快橋梁施工、減少施工對(duì)交通、環(huán)境等影響的有效途徑。近年來(lái)，隨著國(guó)家大力推行預(yù)制裝配化建筑以及建筑工業(yè)化，橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)得到了快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)預(yù)制橋墩、蓋梁受力性能、連接方式和施工工藝等[3]展開(kāi)了大量的試驗(yàn)和理論研究。目前，預(yù)制立柱常見(jiàn)連接方式有預(yù)應(yīng)力筋、灌漿套筒、灌漿金屬波紋管等連接形式；預(yù)制蓋梁按照根據(jù)分段方式的不同分為整體式、分段式和分層式3種類(lèi)型。因此，橋梁下部的預(yù)制裝配化將成為今后市政橋梁建設(shè)的大趨勢(shì)。

本文以福州市新店外環(huán)路西段道路工程為背景，分析市政橋梁預(yù)應(yīng)力預(yù)制拼裝蓋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)和受力特點(diǎn)，以推廣預(yù)制拼裝蓋梁技術(shù)在市政橋梁工程中的應(yīng)用，并為同類(lèi)型工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

福州市新店外環(huán)路西段道路工程位于福州市晉安區(qū)新店片區(qū)，項(xiàng)目起點(diǎn)地面輔路接龍頭路、主路接繞城高速公路，終點(diǎn)接新店外環(huán)路東段，為城市主干路。福州市新店外環(huán)路西段道路工程與三環(huán)路(西嶺互通至園中互通段)、北二通道、繞城高速(西嶺互通至古城互通段)組成新店外環(huán)快速系統(tǒng)，對(duì)新店片區(qū)交通環(huán)境將有較大改善。

主線高架橋標(biāo)準(zhǔn)寬度為25.5 m，橋梁荷載采用城-A級(jí)荷載。主線橋上部結(jié)構(gòu)主要采用鋼板組合梁、鋼箱梁和等高預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；下部結(jié)構(gòu)主要雙柱式預(yù)制拼裝框架墩，其中蓋梁采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，如圖1所示。

圖1 主線高架橋橫斷面示意圖

本文主要介紹主線高架橋預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元模擬和受力結(jié)果分析。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選取典型跨3 m×35 m鋼板組合梁下部框架墩柱進(jìn)行分析。橋墩立柱截面尺寸為1.6 m×1.6 m，均高7 m左右。蓋梁在道路中心線處高1.9 m，橫橋向?qū)?5.2 m，順橋向?qū)?.2 m，總重約為220 t。蓋梁的構(gòu)造示意圖如圖2所示。

圖2 蓋梁構(gòu)造示意圖(單位：cm)

蓋梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，預(yù)應(yīng)力鋼束共布置10束，規(guī)格均為13-15Φs15.2。分兩次張拉，張拉順序按照“對(duì)稱(chēng)張拉，先長(zhǎng)束后短束”的原則，待橫梁濕接縫混凝土強(qiáng)度和彈性模量均到達(dá)100%后，先張拉第一批鋼束T1、T2；待鋼梁架設(shè)完畢后，張拉第二批鋼束T3、T4。鋼束布置形式如圖3所示。

(b)剖面圖3 鋼束布置示意圖

(a)立面

3 有限元模型

蓋梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算采用有限元軟件MIDAS CIVIL 2019[4]，按照A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行受力分析。為了更真實(shí)模擬蓋梁的受力情況和邊界條件，本次建模包括蓋梁、立柱以及樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用4根直徑1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。蓋梁、立柱和樁基均采用桿系單元模擬，并在蓋梁頂設(shè)置虛擬加載橫梁，樁基礎(chǔ)按照地質(zhì)情況設(shè)置土彈簧模擬樁土作用。下部整體模型如圖4所示，共計(jì)185個(gè)節(jié)點(diǎn)，174個(gè)單元。

圖4 下部有限元模型

本次加載的永久作用主要包括一期恒載、二期鋪裝荷載，并考慮混凝土的收縮徐變作用?？勺冏饔弥饕ㄕw升溫25℃，整體降溫23℃，以及由縱向車(chē)道荷載換算的橫向移動(dòng)荷載。并根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)[5]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行效應(yīng)組合、驗(yàn)算分析。

施工工況根據(jù)實(shí)際施工順序進(jìn)行合理劃分，具體如下：

(1)墩柱及基礎(chǔ)施工，搭設(shè)臨時(shí)墩；

(2)蓋梁分節(jié)段吊裝安裝；

(3)濕接縫施工；

(4)張拉第一批鋼束(T1、T2)；

(5)拆除臨時(shí)墩；

(6)架設(shè)上部鋼梁；

(7)張拉第二批鋼束(T3、T4)；

(8)橋面系施工。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 短暫狀況(施工階段)應(yīng)力驗(yàn)算

提取有限元模型在施工階段(5)～(8)中蓋梁上下緣正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表1 蓋梁上下緣正應(yīng)力

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)[6]中第7.2.8條，A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，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法向應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：

由表1可知，蓋梁在各施工階段荷載作用下，最大壓應(yīng)力為16.08 MPa(施工階段7上緣正應(yīng)力)，最大拉應(yīng)力為1.25 MPa(施工階段5下緣正應(yīng)力)，均小于規(guī)范限值，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 持久狀況(使用階段)應(yīng)力驗(yàn)算

提取有限元模型在使用階段的蓋梁正截面法向應(yīng)力和斜截面主壓應(yīng)力結(jié)果，分別如圖5和圖6所示。

(a)上緣正應(yīng)力

(b)下緣正應(yīng)力圖5 使用階段蓋梁正截面法向應(yīng)力(MPa)

圖6 使用階段蓋梁斜截面主壓應(yīng)力(MPa)

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)[6]中第7.1.5、7.1.6條，使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面混凝土的壓應(yīng)力應(yīng)該符合下列規(guī)定：

σkc+σpt≤0.5fck=0.5×32.4=16.2 MPa

使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件斜截面混凝土的主壓應(yīng)力應(yīng)該符合下列規(guī)定：

σcp≤0.6fck=0.6×32.4=19.44 MPa

式中：σkc為作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的混凝土法向壓應(yīng)力；σpt為預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向壓應(yīng)力；fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

由圖5可知，蓋梁在使用階段的最大法向正應(yīng)力為15.81 MPa，小于規(guī)范限值16.2MPa；由圖6可知，蓋梁在使用階段的最大斜截面主壓應(yīng)力為15.81 MPa，小于規(guī)范限值19.44 MPa。因此，蓋梁在使用階段的正截面混凝土的壓應(yīng)力和斜截面主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4.3 持久狀況抗裂驗(yàn)算

提取有限元模型在短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)期效應(yīng)組合作用下的計(jì)算結(jié)果，如圖7～圖8所示。

(a)上緣正應(yīng)力

(b)下緣正應(yīng)力

(c)主拉應(yīng)力圖7 蓋梁正截面短期應(yīng)力(MPa)

(a)上緣正應(yīng)力

(b)下緣正應(yīng)力圖8 蓋梁正截面長(zhǎng)期應(yīng)力(MPa)

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)[6]中第6.3.1條，正截面抗裂應(yīng)對(duì)構(gòu)件正截面混凝土的拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，并應(yīng)該符合下列規(guī)定：

對(duì)于A類(lèi)構(gòu)件，在短期效應(yīng)組合下，混凝土拉應(yīng)力應(yīng)該滿足：

σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65=1.855 MPa

同時(shí)，在長(zhǎng)期效應(yīng)組合下，截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力；在短期效應(yīng)組合下，混凝土主拉應(yīng)力應(yīng)該滿足：

σtp≤0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa

由圖7、圖8可知，蓋梁在短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)期效應(yīng)組合下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且主拉應(yīng)力最大值為0.61MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.4 持久狀況承載能力驗(yàn)算

蓋梁在長(zhǎng)期效應(yīng)組合作用下彎矩、剪力的效應(yīng)和抗力的包絡(luò)圖如圖9所示。

(a)抗彎承載能力(kN·m)

(b)抗剪承載能力(kN)圖9 承載能力包絡(luò)圖

其中，彎矩、剪力抗力值分別是按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)[6]中第5.2.2、5.2.9條規(guī)定計(jì)算求得。由圖9可知，蓋梁的抗彎和抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)由于高架橋蓋梁的橫向尺寸一般較大，一般采用橫向分段形式以減少節(jié)段自重。同時(shí)，預(yù)制蓋梁的節(jié)段劃分應(yīng)考慮施工現(xiàn)場(chǎng)吊機(jī)吊裝能力和施工的便捷性。本蓋梁分兩節(jié)段預(yù)制吊裝，節(jié)段間用濕接縫連接。

(2)本蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉采用分批張拉(2次)，利用有限元軟件MIDAS CIVIL進(jìn)行施工階段和使用階段仿真建模，并結(jié)合規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，蓋梁的應(yīng)力和承載能力均滿足規(guī)范要求。

(3)該項(xiàng)目下部采用蓋梁分節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)，大大減少了市政橋梁建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境的影響，并在保證施工質(zhì)量的前提下減少了施工工期，有利地促進(jìn)橋梁下部預(yù)制拼裝技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)后期城市橋梁的快速化施工奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是，當(dāng)橋墩高度較高時(shí)，因吊裝要求更高、施工精度控制更難，在目前技術(shù)條件下，蓋梁一般仍采用現(xiàn)澆施工，本項(xiàng)技術(shù)一般適用于墩高在8 m～10 m之間。