大懸臂雙柱預應力蓋梁設計的影響因素分析

張崢

廣東順設工程咨詢有限公司 廣東 佛山 528000

引言

近年來，為解決城市道路擁堵問題，城市交通建設標準不斷提高，城市高架橋承擔起立體化城市交通發展的重要一環。單幅橋梁為雙向六車道在城市高架橋中已經很常見，以至于對于預制小箱梁來說，橋梁蓋梁橫向長度達到25m以上。在此長度下，蓋梁選擇普通鋼筋混凝土結構往往不經濟，需要較大的梁高或較多的墩柱；因此城市高架橋常常采用大懸臂預應力混凝土蓋梁。本文結合廣東省佛山市倫桂路項目中蓋梁的設計，分析墩高、蓋梁跨徑等因素對蓋梁設計的影響。

1 項目概況

1.1 工程概況

廣東省佛山市倫桂路項目，引橋上部結構為30m跨徑預應力混凝土小箱梁，橋寬27.5m，采用單幅雙向六車道。下部結構蓋梁長27m，橋墩采用方柱式，基礎為承臺樁基礎。該橋梁設計速度80km/h，荷載等級為公路Ⅰ級，結構設計安全等級為一級[1]。

1.2 蓋梁尺寸

預應力蓋梁混凝土等級采用C40，鋼筋采用HRB400，鋼束采用ΦS15.24低松弛高強度鋼絞線，按A類預應力混凝土構件計算。為減少墩柱個數，采用雙柱式大懸臂蓋梁，墩柱采用1.8×1.8m的方柱墩，立柱高度約2～10m，支座由左至右為支座1～9，結構尺寸如圖1所示：

圖1 蓋梁結構尺寸圖

2 蓋梁結構內力的影響因素

2.1 蓋梁受力特點

蓋梁是連接上部結構與下部結構的關鍵部件，它通過支座承擔上部荷載，與橋墩剛性連接，使上部荷載得以較均勻地分配到橋墩，受力體系明確。蓋梁為典型的彎剪構件，雖然在施工過程中和活載作用下，蓋梁還會承受扭矩，產生扭轉剪應力，但數值很小且不是永久作用，一般不控制設計[1]。

2.2 影響大懸臂蓋梁內力的因素

橋墩的高低對蓋梁內力的計算有較大的影響，在最新的《公規》[2]規定墩臺蓋梁與橋墩宜按剛架計算。考慮到基礎土體對基礎的作用，若為樁柱式基礎，墩底約束可設置彈性約束應是更合理的，若為承臺樁基礎或樁頂有系梁連接的墩柱，可設置為剛性約束。本項目蓋梁跨徑較大，故需考慮橋墩對蓋梁的約束作用，蓋梁與墩柱按剛架計算；基礎為承臺樁基礎，土體作用對橋墩影響不大，故將墩底設為剛性約束[2]。

3 計算分析

取上部恒載包括小箱梁、二期鋪裝（含護欄）以集中荷載形式加載至支座1～9位置處，恒載作用見表1，汽車荷載通過橫向布置按《通規》[3]進行模擬。

表1 蓋梁上部恒載作用

3.1 墩高對蓋梁內力的影響

3.1.1 計算模型的建立。采用橋博V4.4，按照該項目蓋梁跨徑10m，跨中截面高度2.2m，分別建立間隔1m的墩高2～10m的蓋梁模型，墩底采用固定約束，建立橋博模型。

3.1.2 計算結果分析。取蓋梁的跨中、支點處為控制截面，按基本組合計算得到跨中、支點截面處的蓋梁彎矩。結果見圖2。

圖2 基本組合下不同墩高的蓋梁跨中處的彎矩包絡

由圖2可以看出，蓋梁跨中彎矩由墩高控制，墩高在8m以下時，基本組合下的最大彎矩為蓋梁下緣受拉，墩高超過8m，為上緣受拉。蓋梁跨中在基本組合下的最小彎矩均為上緣受拉。從圖2可以看出，隨著墩高的增加，蓋梁的彎矩包絡逐漸向蓋梁上緣受拉方向增大。

3.2 蓋梁跨徑對蓋梁內力的影響

3.2.1 計算模型的建立。采用橋博V4.4，按照該項目跨中截面高度2.2m，墩高5m的尺寸，分別建立間隔1m的跨徑5～15m的蓋梁模型，墩底采用固定約束，建立橋博模型。

3.2.2 計算結果分析。取蓋梁的跨中、支點處為控制截面，按基本組合計算得到跨中、支點截面處的蓋梁彎矩。計算見圖3、圖4。

圖3 基本組合下不同跨徑的蓋梁跨中處的彎矩包絡

圖4 基本組合下不同跨徑的蓋梁墩柱頂處的彎矩包絡

由圖3可以看出，隨著蓋梁跨徑的增大，蓋梁跨中彎矩從上緣受拉向下緣受拉變化，基本組合下的最大彎矩在蓋梁跨徑小于8.5m時為上緣受拉，且彎矩隨蓋梁跨徑增大而減小；大于8.5m為下緣受拉，且彎矩隨蓋梁跨徑增大而增大。基本組合下的最小彎矩在跨徑小于14m時，上緣受拉，且彎矩隨跨徑增大而減小；跨徑超過14m，蓋梁下緣受拉，彎矩隨跨徑逐步增大。基本組合下的跨中最大最小彎矩隨跨徑變化情況曲線幾乎一致[3]。

從圖4可以看出，墩頂彎矩在跨徑為5m～15m之間均為上緣受拉，且彎矩大小隨跨徑的增加而減小。彎矩變化的速率幾乎為常數，這是因為當蓋梁跨徑在5m～15m之間時蓋梁的墩頂彎矩仍以懸臂控制為主。實際上，經過計算，墩頂彎矩以懸臂控制與跨徑控制的交界跨徑基本為15m，懸臂與跨徑比值約為0.4。

4 結束語

本文依托于佛山市倫桂路，對大懸臂蓋梁的內力影響因素進行探討，取蓋梁跨中、墩頂為控制截面，分析了墩高、蓋梁跨徑對蓋梁內力的影響，主要得到以下幾點結論：

隨著墩高的增加，蓋梁的跨中彎矩包絡逐漸由下緣受拉向以蓋梁上緣受拉轉變。

隨著蓋梁跨徑的增大，蓋梁跨中彎矩從蓋梁上緣受拉向下緣受拉變化，當為蓋梁下緣受拉時，彎矩隨跨徑增大而增大。

對于大懸臂蓋梁來說，墩頂彎矩的大小隨跨徑的增加而減小，此時的彎矩變化的速率幾乎為常數。當懸臂與跨徑比值小于某一值時（對于本文蓋梁來說，此值為0.4），墩頂彎矩以跨徑控制，且隨跨徑增大而增大。