大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁上跨盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

項(xiàng)偉，謝子洋

（1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州市水利工程質(zhì)量與安全事務(wù)中心，浙江 臺(tái)州 318000）

近年來(lái)，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，越來(lái)越多的城市都開(kāi)始修建軌道交通和地下道路以紓解交通壓力。當(dāng)市政橋梁上跨盾構(gòu)隧道時(shí)，為了減少二者之間的相互影響，下部結(jié)構(gòu)的形式和布置會(huì)受到限制，同時(shí)還要結(jié)合景觀、河道水利及橋下通行情況等綜合考慮。為了滿足這些要求，常常采用大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的設(shè)計(jì)方案。

蓋梁是橋梁工程中承上啟下的重要構(gòu)件，上部結(jié)構(gòu)的恒載和活載通過(guò)其傳遞給墩柱和基礎(chǔ)。蓋梁是一種典型的以彎剪受力為主的構(gòu)件，自重引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力很小。當(dāng)跨度增加時(shí)，普通鋼筋混凝土蓋梁不易滿足計(jì)算要求，而需采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性符合規(guī)范，橋下視野也較好。

1 工程概況

本文以臺(tái)州市開(kāi)發(fā)大道跨東山河橋工程為例。橋梁全長(zhǎng)75m，跨徑布置為3m×25m，寬46m，設(shè)計(jì)道路中心線法線與橋跨中心線順交40°，市域鐵路S1線從橋梁下方穿過(guò)（見(jiàn)圖1）。考慮周邊用地限制以及樁基需與盾構(gòu)保持一定的安全距離，墩臺(tái)均采用了預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，上接預(yù)制小箱梁，下接矩形墩、承臺(tái)和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本文對(duì)1#橋墩的大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。

圖1 基頂平面圖

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：①設(shè)計(jì)速度：50km/h；②設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)；③設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度：0.05g；④設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；⑤橋面布置：2.5m（人行道）+3m（非機(jī)動(dòng)車道）+2m（機(jī)非分隔帶）+14m（機(jī)動(dòng)車道）+3m（中央綠化道）+11m（機(jī)動(dòng)車道）+3.5m（機(jī)非分隔帶）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+3.5m（人行道）=46m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 構(gòu)造尺寸

上部結(jié)構(gòu)采用3m×25m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，左右分幅；下部結(jié)構(gòu)橋墩采用三墩柱預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，整幅設(shè)置；橋臺(tái)采用座板臺(tái)形式，預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁接承臺(tái)，分三幅。

1#橋墩樁基采用6根直徑1.2m的鉆孔灌注樁，按端承樁設(shè)計(jì)，樁端進(jìn)入巖層有效深度不小于3m，平均樁長(zhǎng)64m，樁基間距2.4m，單樁反力≥2800kN，樁基與盾構(gòu)結(jié)構(gòu)邊線最小凈距3.76m。樁頂設(shè)尺寸為4.6m×7m×2m的矩形承臺(tái)，上接矩形立柱（1.6m×1.6m，邊緣設(shè)置R=20cm圓倒角）。蓋梁總長(zhǎng)58.012m，寬度為2.1m，高度2.2m，端部高度1.5m；北側(cè)懸臂7.362m，南側(cè)懸臂10.15m。預(yù)應(yīng)力蓋梁采用C50混凝土，立柱及承臺(tái)采用C40混凝土，樁基采用C30水下混凝土。1#橋墩構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2 1#橋墩斷面圖

3.2 蓋梁預(yù)應(yīng)力體系

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁采用A類預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，鋼束采用φs15.24低松弛高強(qiáng)鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，錨下有效控制張拉應(yīng)力為1395MPa，兩端張拉。預(yù)應(yīng)力管道采用金屬波紋管，真空壓漿工藝，管道摩擦系數(shù)取0.16，局部偏差系數(shù)取0.0015，鋼筋回縮和錨具變形為6mm。蓋梁內(nèi)共布置14根15-φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼束，分兩批次張拉，鋼束布置見(jiàn)圖3所示。

圖3 蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖

3.3 施工順序

預(yù)應(yīng)力蓋梁施工步驟如下：

①搭設(shè)支架，立模澆筑C50混凝土；

②混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%且齡期達(dá)到14d及以上時(shí)，對(duì)稱張拉N1、N3鋼束，預(yù)應(yīng)力管道壓漿；

③壓漿強(qiáng)度達(dá)到100%時(shí)，拆除蓋梁模板和腳手架。架設(shè)預(yù)制小箱梁，小箱梁從墩柱中心向兩側(cè)對(duì)稱吊裝，完成后再對(duì)箱梁負(fù)彎矩鋼束、橫梁和濕接縫進(jìn)行施工；

④待上部結(jié)構(gòu)施工完成后，對(duì)稱張拉N2鋼束，壓漿并封錨；

⑤壓漿強(qiáng)度達(dá)到100%時(shí)，施工橋面鋪裝及人行道欄桿等附屬設(shè)施；

⑥成橋運(yùn)營(yíng)。

4 蓋梁計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

采用MIDAS/Civil 2019有限元軟件建立橋墩蓋梁計(jì)算模型，如圖4所示。蓋梁和墩柱均采用梁?jiǎn)卧灿?jì)41個(gè)單元。

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

對(duì)于立柱與蓋梁之間的連接，有兩種連接形式。

第一種是柱與蓋梁全固結(jié)，在此計(jì)算模式下，由于溫度力的存在和混凝土的收縮徐變，同時(shí)兩立柱間距較大，會(huì)使兩側(cè)立柱產(chǎn)生較大的沿蓋梁方向的水平力和彎矩，成為大偏心受壓構(gòu)件。在現(xiàn)有構(gòu)造尺寸下，樁基的裂縫計(jì)算無(wú)法滿足規(guī)范要求。

第二種是柱與蓋梁固結(jié)，兩側(cè)立柱與蓋梁通過(guò)單向支座連接（活動(dòng)方向沿橋墩中心線），這種情況下釋放了沿蓋梁方向的水平力，立柱和樁基可認(rèn)為是軸心受壓構(gòu)件，受力和變形能滿足規(guī)范要求。

以下計(jì)算結(jié)果基于第二種連接方式。

4.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算中考慮的作用在蓋梁上的主要荷載有：

①恒載：包括上部小箱梁的自重，二期恒載（鋪裝及附屬），混凝土的收縮徐變等，上部荷載通過(guò)支座傳遞到蓋梁；

②活載：城-A級(jí)荷載，考慮車道的最不利布置，按橫向加載進(jìn)行計(jì)算，并考慮沖擊系數(shù)；

③溫度作用：按規(guī)范取值，整體升溫22.5℃，整體降溫23.3℃，同時(shí)考慮非線性溫度變化；

④支座沉降：不均勻沉降按10mm考慮。

4.3 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

基本組合下，蓋梁彎矩包絡(luò)圖如圖5、圖6所示。蓋梁最大正彎矩出現(xiàn)在較大跨度的跨中位置，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在最大懸臂的根部位置。蓋梁抗彎能力完全滿足承載能力極限狀態(tài)下的規(guī)范要求，承載力最小富余量為6%。

圖5 正截面抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖

圖6 斜截面抗剪驗(yàn)算包絡(luò)圖

4.4 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，在作用頻遇組合下，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂側(cè)柱頂位置上緣，小于允許值0.7ftk=1.855MPa（ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）；在作用準(zhǔn)永久組合下，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂側(cè)柱頂位置上緣，滿足規(guī)范要求；在作用頻遇組合下，最大主拉應(yīng)力為-0.66MPa，出現(xiàn)在最大懸臂側(cè)柱頂位置，小于規(guī)范限值0.5ftk=1.325MPa。故蓋梁拉應(yīng)力滿足正常使用極限狀態(tài)下的規(guī)范要求。

圖7 頻遇組合下正截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

圖8 準(zhǔn)永久組合下正截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

圖9 斜截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

在活載作用下，蓋梁最大豎向位移為6.0mm，最小豎向位移為-8.3mm，出現(xiàn)在蓋梁端部。依據(jù)規(guī)范，受彎構(gòu)件在使用階段的撓度應(yīng)考慮長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，蓋梁采用C50混凝土，撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù) ηθ=1.425，端部撓度 1.425×(6.0+8.3)=20.4mm＜10150/300=33.8mm，滿足規(guī)范要求。

4.5 持久狀況構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，在持久狀況下，最大壓應(yīng)力為15.5MPa出現(xiàn)在最大懸臂側(cè)柱頂位置下緣，小于允許值0.5fck=16.20MPa（fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）；最大主壓應(yīng)力為15.6MPa出現(xiàn)在最大懸臂側(cè)柱頂位置下緣，小于允許值0.6fck=19.44MPa。故蓋梁壓應(yīng)力滿足持久狀態(tài)下的規(guī)范要求。

經(jīng)計(jì)算，柱頂上緣預(yù)應(yīng)力束最大拉應(yīng)力 為 1173.7MPa＜0.65fpk=1209.0MPa（fpk為預(yù)應(yīng)力鋼束抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），滿足規(guī)范要求。

圖10 正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算包絡(luò)圖

圖11 斜截面主壓應(yīng)力包絡(luò)圖

4.6 短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算

施工階段蓋梁截面邊緣混凝土的法向壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如圖12所示，截面邊緣法向最大壓應(yīng)力為14.7MPa，小于允許值0.7f’ck=18.14MPa（f’ck為短暫狀況施工階段的混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）；截面邊緣法向最大拉應(yīng)力為-0.9MPa，小于允許值 0.7f’tk=1.48MPa（f’tk為短暫狀況施工階段的混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），滿足規(guī)范要求。經(jīng)計(jì)算，若改變施工步驟，會(huì)造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力超限。

圖12 施工階段法向壓應(yīng)力驗(yàn)算包絡(luò)圖

5 結(jié)語(yǔ)

①大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁能減少立墩的數(shù)量，適用于基礎(chǔ)條件受限的橋梁施工。同時(shí)，能減小墩柱的阻水面積，景觀通透性較好，值得推廣。

②三柱式大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，應(yīng)注意墩柱和樁基的內(nèi)力和變形驗(yàn)算，必要時(shí)可考慮在兩側(cè)立柱和蓋梁之間設(shè)置支座，釋放水平約束。

③應(yīng)注意施工順序?qū)Υ髴冶垲A(yù)應(yīng)力蓋梁受力的影響，通過(guò)調(diào)整施工順序、架梁順序及鋼束張拉順序，使蓋梁始終處于安全的受力狀態(tài)。