大跨度預應力混凝土預制拼裝蓋梁設計

任安忠

摘 要：本研究以徐州市解放北路上跨隴海鐵路立交橋項目中的大跨度預應力混凝土預制拼裝蓋梁結構為分析對象，通過建立空間桿系模型，分別對施工過程中及橋梁運營中應注意的問題進行受力分析，驗證預制拼裝蓋梁技術的可行性和合理性，為以后的大跨度預制拼裝蓋梁設計與應用提供借鑒。

關鍵詞：大跨度;預應力混凝土;預制拼裝蓋梁;設計

中圖分類號：U442.5 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1003-5168（2022）9-0092-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.020

Design of Long-Span Prestressed Concrete Prefabricated Cover Beam

REN Anzhong

（China Railway Shanghai Design Institute Group Corporation Limited， Shanghai 221000，China）

Abstract：This study takes the long-span prestressed concrete prefabricated and assembled cover beam structure in the Longhai Railway Overpass Project on Jiefang North Road in Xuzhou City as the analysis object. The force analysis of the problem is carried out to verify the feasibility and rationality of the prefabricated assembled cover beam technology， and to provide a reference for the design and application of the large-span prefabricated assembled cover beam in the future.

Keywords： long-span; prestressed concrete; prefabricated cover beam; design

0 引言

近年來，隨著城市的發展，既有的下穿鐵路立交橋已不能滿足城市發展的需求，需要進行擴容改造，為了減小對運營鐵路的影響和保留既有下穿立交的使用和通行，改造工程常采用大跨度預應力混凝土蓋梁跨越既有立交結構，將墩柱放在立交結構以外。本研究以徐州市解放北路下穿隴海鐵路立交擴容項目為背景，既有下穿鐵路立交為（6.7 m+10 m+6.7 m）三孔低高度鋼筋混凝土梁橋。中間橋孔通行機動車，兩邊孔通行非機動車及行人。該項目擴容改造后要求保留既有下穿鐵路立交通道，主車道采用橋梁形式上跨隴海鐵路，橋梁下部結構的選型對保留既有下穿立交的使用功能有很大影響，為此本項目橋梁下部結構采用了大跨度預應力混凝土預制拼裝蓋梁+雙矩形立柱橋墩設計方案。

徐州市解放北路上跨隴海鐵路立交為城市主干路，設計速度50 km/h，主線雙向6車道，設計荷載為城—A級。該設計對其中的大跨度雙柱式橋墩的蓋梁進行了計算分析。

1 工程概況

1.1 基本資料

主線高架標準橋寬為24.50 m，上部結構為3 m×30 m先簡支后連續小箱梁，橫向8片小箱梁，橡膠板式支座，下部結構采用大跨度預制拼裝蓋梁+雙矩形立柱橋墩形式。蓋梁中心高度為3.05 m，縱橋向頂面寬為1.10 m，底面寬為3.00 m。蓋梁跨度長為17.70 m，全長為24.67 m，預應力混凝土結構，采用分段工廠預制、現場拼裝施工方式。橋墩為矩形雙立柱，立柱中心間距為17.70 m，尺寸為1.80 m（順橋向）×1.60 m（橫橋向），角點處采用R=0.15 m的圓倒角。標準橋墩基礎采用2根直徑為1.80 m鉆孔灌注樁。蓋梁的構造尺寸見圖1。

1.2 預應力鋼束布置

蓋梁預制段采用C50高性能自密實混凝土，現澆段采用C55收縮補償混凝土，預制墩身采用C40高性能自密實混凝土，承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土，蓋梁采用φs15.2高強度低松弛預應力鋼絞線，鋼束均從蓋梁底過。鋼束N1、N2、N3、N4分四排布置：N1、N2、N3布置3股，N1、N2每股12根，N3每股15根;N4布置2股，每股15根。

預應力蓋梁鋼束布置見圖2。

1.3 施工流程劃分

現場澆筑樁基、承臺（承臺中預埋立柱鋼筋，工廠同步預制立柱和蓋梁節段，立柱底部及蓋梁底部處預埋套筒）—立柱安裝—鋼筋連接、套筒灌漿—高強水泥灌漿料達到強度要求—吊裝拼接兩側墩頂節段—蓋梁與立柱鋼筋連接、套筒灌漿—吊裝中間預制節段蓋梁—現澆段鋼筋連接—高強水泥灌漿料達到強度要求—現澆段澆筑—鋼束N1-1、N2-1、N3-1、N4張拉—小箱梁架設—鋼束N1-2、N2-2、N3-2張拉—橋面鋪裝及防撞墻等二期恒載施工。

2 結構建模分析

2.1 計算方法

計算采用橋梁博士v3.5進行空間桿系分析，根據橋梁結構施工流程來確定結構計算的階段荷載工況。建模需在符合工程規范及荷載組合要求的前提下進行結構內力、應力、極限承載力計算，預應力混凝土蓋梁結構按照預應力A類構件在施工階段、運營階段應力、極限承載力及整體剛度進行驗算[1]。

2.2 計算模型

計算預應力混凝土蓋梁不需要建立全橋模型，無論是施工過程中還是成橋及運營以后，上部結構荷載都將通過支座傳遞到蓋梁上，故在蓋梁設計時，將上部結構荷載按照集中力作用在支座處，一期恒載為梁體自重，二期恒載為鋪裝、防撞護欄等，活載按照城—A級[2-3]。取橋梁下部結構進行分析計算，模型按照蓋梁、橋墩的實際尺寸建立單元分析。

3 計算結果分析

3.1 施工階段應力分析

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范JTG 3362—2018》（以下簡稱《公橋規》）[1]第7.2.8條規定，在構件自重和預應力等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應力應符合：壓應力[σtcc≤0.70f'ck]，拉應力[σtct≤0.70f'tk]。

下部結構預制構件拼裝施工時構件混凝土強度已達到標準強度的90%，故壓應力允許值[0.70f'ck=0.7×0.9×32.4=20.41 MPa]，拉應力允許值[0.70f'tk=-0.7×0.9×2.65=-1.67 MPa]。

由表1可見，施工階段混凝土的最大壓應力為8.2 MPa、最大拉應力為0.4 MPa，均滿足要求。

3.2 正常使用極限狀態驗算

3.2.1 應力驗算。按照《公橋規》第7.1條規定，預應力混凝土構件持久狀況設計時，應力計算時其值取標準值，正應力允許值[0.50f'ck=0.5×32.4=16.2 MPa]，主應力允許值[0.50f'ck=0.6×32.4=19.44 MPa]。蓋梁截面上下緣的正應力及主應力見表2。由表2可見，蓋梁在持久狀況下混凝土的正應力和主應力均滿足要求。

持久狀況預應力鋼束拉拉應力允許值[0.65f'pk=-0.65×1 860=-1 209 MPa]，應力見表3。

由表3可見，蓋梁在持久狀況下預應力鋼束的拉應力滿足要求。

3.2.2 抗裂驗算。按照《公橋規》第6.3.1條，正截面抗裂應對構件正截面混凝土的拉應力進行驗算，對于A類預應力類混凝土構件，在荷載短期效應組合下拉應力允許值[σst-σpc≤ftk=0.7×2.65=1.86 MPa];在荷載長期效應組合下拉應力允許值[σ1t-σpc≤0]。按照規《公橋規》第6.3.1-8條，斜截面抗裂應對構件斜截面混凝土的主拉應力進行驗算，對于A類預應力混凝土預制拼裝構件，在作用短期效應組合下主拉應力允許值[σtp≤0.50ftk=0.5×2.65=1.33 MPa]。

①頻遇組合效應。頻遇組合效應下蓋梁截面上下緣的最小正應力及主拉應力見表4。

由表4可知，蓋梁在頻遇組合效應下的正截面、斜截面抗裂均滿足要求。

②準永久組合效應。準永久組合效應下蓋梁截面上下緣的最小正應力見圖3。

由表5可見，蓋梁在準永久組合效應下的抗裂滿足要求。

3.3 承載能力極限狀態強度驗算

3.3.1 正截面抗彎強度驗算。按照《公橋規》第5.1.2條，正截面抗彎強度驗算時荷載效應為基本組合效應值。

基本組合下蓋梁最大彎矩及其對應的抗力見圖4。

由圖4可知，承載能力極限狀態下蓋梁最大彎矩出現在跨中位置為3 730 4 kN·m，該處抗彎承載力設計值為56 402 kN·m，所有截面的彎矩均處于彎矩包絡圖內部，蓋梁的正截面抗彎強度滿足要求。

3.3.2 斜截面抗剪強度驗算。斜截面抗剪強度驗算時荷載效應為基本組合效應值，按照《公橋規》第5.2.13條驗算截面尺寸，按照第5.2.11、5.2.12條驗算斜截面抗剪承載力，按照第8.1.6條驗算結合面抗剪承載力。

基本組合下蓋梁的剪力包絡圖見圖5。

由圖5可見斜截面最大剪力為6 609 kN、抗剪強度為10 359 kN，蓋梁截面尺寸及斜截面抗剪強度均滿足要求。

4 結語

蓋梁采用大跨度預應力混凝土結構，可以盡可能地少設墩柱，橫橋向跨越能力強，橋下空間大，滿足橋下通行需求，大跨度預應力蓋梁不僅將橋梁上下部結構融為一體，而且還充分體現出輕、巧、柔的特性，使橋梁本身和周圍的環境協調一致，符合人們的審美要求[4]。但預應力蓋梁設計相對復雜，施工技術要求較高，特別是在預制情況下使用的大跨度蓋梁受力更為復雜。通過分析，蓋梁的強度、剛度、穩定性均滿足規范要求，工程下部結構設計是安全可靠、經濟合理的，施工中嚴格按設計的順序張拉鋼束。

因此，城市橋梁上下部結構采用預制拼裝施工技術，施工速度快、施工期對周圍交通及環境干擾少、經濟效益顯著，為城市高架橋梁的集成化建設帶來方便。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國交通運輸部.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[2] 中華人民共和國交通運輸部.公路橋涵設計通用規范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[3] 中華人民共和國交通運輸部.公路工程技術標準：JTG B01—2014[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[4] 江甫，侯玉成.大跨度預應力蓋梁設計討論[J].城市道橋與防洪，2014，5（5）：103-104，117.