某市政橋梁預應力混凝土蓋梁設計要點淺析

賈凡鑫

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 概述

近年來，由于受到周圍環境、下方交通要求以及城市景觀要求等諸多方面限制，城市內的市政橋梁對橋梁下部結構的型式有了越來越高的客觀要求。而大懸臂預應力蓋梁不僅造型優美簡約，同時能有效減少橋墩的橫向尺寸，節省橋下空間，滿足交叉口的視距及通透性要求，因此，在城市高架橋中得到廣泛應用。

2 工程背景

2.1 項目概述

以東北地區某市市政高架橋為工程背景。全橋共29聯，上部結構全部采用預應力(后張)先簡支后結構連續小箱梁，下部結構中橋臺采用肋板臺，橋墩均采用大懸臂蓋梁，H型墩，樁基礎。本橋主要設計指標如下：

(1)設計安全等級：一級。

(2)設計環境類別：Ⅱ類。

(3)設計橋梁寬度：橋面標準寬度為25.6m，斷面組成為0.55m(防撞護欄)+11.45m(車行道)+1.6m(中央分隔帶)+11.45m(車行道)+0.55m(防撞護欄)。

(4)汽車荷載等級：公路-Ⅰ級。

(5)設計車道數量：雙向6車道。

(6)設計洪水頻率：特大橋1/100。

(7)地震動峰值加速度：0.10g。

(8)抗震設防類別：B級。

2.2 蓋梁設計及施工技術細節

本項目出于城市景觀和節約橋下空間的綜合考慮，全線橋墩均采用大懸臂蓋梁接曲線H墩的結構形式，如圖1所示。

圖1 典型橋墩斷面圖

橋墩立柱為截面矩形，柱頂至柱頂截面橫向尺寸采用2次曲線過渡，縱向等寬；蓋梁寬2.20m，高度則采用線性變化，其中端部高1.50m，柱頂外側處高2.42m，蓋梁中心高2.50m，最大懸臂長度為8.53m。

橋墩混凝土標號為C40，蓋梁混凝土標號為C50。其中為滿足受力需求，蓋梁設置15束(3×5)單端張拉的ΦS15.2-12預應力絞線，抗拉強度標準值fpk=1860MPa。蓋梁預應力鋼束布置見圖2。

圖2 橋墩蓋梁預應力鋼束布置

上述蓋梁施工流程如下：澆注蓋梁→張拉第一批N3、N2b鋼束→架設小箱梁→張拉第二批剩余鋼束→施工小箱梁橫縱向聯系及橋面系。

2.3 研究的主要內容

本例中，蓋梁懸臂較長，屬于“一般梁”構件；而橋墩雙支點之間，蓋梁跨度L=7.24m，蓋梁高度h=2.5m，L/h=2.9，則屬于典型的“深受彎構件”中的“短梁”。

對于“短梁”而言，雖然其受力性能與“一般梁”類似，但是在相同截面尺寸與配筋的前提下，“短梁”的承載能力與“一般梁”仍存在著一定的差別。

基于此，主要從承載能力(即正截面抗彎承載力以及斜截面抗剪承載力)的角度出發，依照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[1](JTG 3362-2018)(下文中統稱為“《公預規》”)中對于“一般梁”和“短梁”的不同規定，并引入現行建筑規范《混凝土結構設計規范》[2](GB 50010-2010)(下文中國統稱為“《混規》”)中對于“短梁”承載力的相關規定作為對比。旨在通過實際計算，比較和分析“短梁”承載能力與“一般梁”的主要差別，總結出相關規律，并給出結論和建議。

3 分析過程

3.1 計算模型

采用Midas Civil 2020建立大懸臂蓋梁及橋墩的梁單元有限元模型。建模過程中對于結構進行了適當簡化，忽略蓋梁橫坡影響；同時，本例僅考慮上部小箱梁結構恒載，二期恒載，汽構進行了適當簡化，忽略蓋梁橫坡影響；同時，本例僅考慮上部小箱梁結構恒載，二期恒載，汽車荷載以及蓋梁自重等荷載對于結構內力的影響，由于本橋橋位處地質較好，且采用整體承臺接樁基的基礎結構形式，整體性好，因此不考慮基礎變位等不利影響。

模型在計算汽車荷載時，考慮了車道不同橫向布置形式對于結構受力的不利影響。建立的模型如圖3所示。

圖3 橋墩蓋梁有限元模型

3.2計算結果

對于上述蓋梁中的懸臂部分，按照“一般梁”驗算；而對于雙柱支點間的“短梁”部分，將分別按照三種不同模式(即《公預規》中“一般梁”和“深受彎構件”，以及《混規》中“深受彎構件”)驗算。

驗算內容中，“正截面抗彎承載力驗算”分別取蓋梁與橋墩連接處(即蓋梁支點處)和蓋梁跨中中心處等兩處截面為控制截面，而“斜截面抗剪承載力驗算”則取蓋梁與橋墩連接處(即蓋梁支點處)為控制截面。

現將整理后的計算結果匯總如表1、表2。

表1 正截面抗彎承載力

表2 斜截面抗剪承載力

3.3 計算結果

通過對比以上計算結果可知，對于“短梁”的正截面承載力計算而言，一旦按照“一般梁”的模式執行，可能將構件實際承載力錯誤地放大。按照這種模式計算，并進而指導配筋將導致構件設計偏不安全，存在隱患。

比較《公預規》以及《混規》中給出的對于“一般梁”和“短梁”正截面抗彎承載力的計算公式可知，上述情況產生的原因，主要是由于對于“短梁”的情形而言，受拉鋼筋實際抗彎的有效內力臂較“一般梁”中的對應數值更小。

同樣的，對于“短梁”而言，在斜截面抗剪承載力驗算內容中，《公預規》中對于最小抗剪截面尺寸的限定要求較“一般梁”的對應要求更高(本條結論不適用于《混規》)；同時，通過計算可知，在同樣截面尺寸和配筋前提下，《公預規》和《混規》中“深受彎構件”的抗剪性能均較“一般梁”差。

此外，通過簡單的比較可知，在計算“短梁”的斜截面抗剪承載力時，《公預規》中給出的公式更多關注的是配置箍筋后混凝土構件整體的抗剪性能，并且兼顧考慮了受拉區鋼筋的影響；而《混規》則能夠分別考慮并計入混凝土、箍筋和水平鋼筋三部分各自的抗剪作用。

4 結論

近年來，從工程景觀需求以及節約橋下空間的雙重角度出發，大懸臂預應力混凝土蓋梁組合(橫向橋)窄體墩柱的橋墩形式得到了市政橋梁工程越來越廣泛的關注和實際應用。

這類橋墩為了在滿足相對較寬的上部梁體承托需求的同時，能夠盡可能地減少橋墩墩身對于下部道路空間的侵占，往往會導致蓋梁的設計中同時引入了大懸臂的“一般梁”受力部分和高跨比較小的“短梁”受力(有時甚至進入“深梁”范疇)部分。二者同時存在，共同承擔上部結構傳遞的各項荷載作用，并將其傳遞給下部的橋墩，直至基礎部分。

通過工程實例，以現行《公預規》為設計和研究依托，并引入了現行建筑規范(《混規》)的相關內容作為比較。

通過建模計算和分析得到的結果可以證明：“短梁”構件的承載性能計算理論與傳統的“一般梁”存在明顯不同。從總體上看，在相同的截面和配筋條件下，“短梁”的承載能力較“一般梁”低，在本文給出的算例中，前者的抗彎和抗剪承載力較后者低20%以上；同時，前者對于構件的截面尺寸等構造要求也往往較后者更高(本例的計算結果中接近35%)。

過去的橋梁設計過程中，基于以往工程經驗等種種原因，個別橋梁設計者常常選擇直接忽略“短梁”部分的不利影響，將蓋梁整體按照具有長懸臂的“一般梁”構件進行建模、設計和配筋。這可能會導致最終的配筋結果偏于激進，結構可能存在安全性隱患，這一點以后工作中應該引起廣大同業者足夠的關注和重視。