大跨預應力門架墩設計與計算

祁巍，聶擁軍

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳 518029）

1 概述

近年來隨著城市高架橋的大量建設和公路路網的密集，相交道路在平面上發生沖突的問題也就隨之增多。為了不影響下方道路的使用，通常可采用的措施有：采用大跨徑橋梁一跨跨越；利用下方道路的分隔帶設置獨柱或偏心橋墩；采用門架墩通過設置剛性橫梁將墩柱放在路幅以外。

門架墩的方案在經濟上和工期上有一定優勢，上部結構選擇預制小箱梁或空心板結構，采用吊機或架橋機架梁，施工工期短，對既有運營線路影響小，因此得以廣泛使用。

門架墩柱間距（20 m左右）很大時，稱為大跨度門架墩，蓋梁需采用預應力結構。待混凝土立柱施工完成后，在不中斷下穿道路交通的情況下，搭設支架澆筑蓋梁混凝土，張拉蓋梁預應力鋼束，架設預制上部結構小箱梁，鋪筑橋面鋪裝和澆注防撞墻[1][2]。

2 工程背景

謝常公路跨線橋是東莞市鎮際聯網路29號路工程中的一座大橋，橋梁全長680.56 m，上部結構為4×30 m+3×35 m裝配式預應力混凝土小箱梁，先簡支后結構連續，全橋共6聯。由于橋下位置是AB匝道，道路中間無立墩位置，因此需要設置大跨預應力門架墩，將墩立在匝道外側。

6#橋墩位于全橋第二聯，A匝道和B匝道從蓋梁中間下穿，因此蓋梁采用雙墩柱大跨度預應力門架墩蓋梁，上接8片預制吊裝小箱梁，下接矩形墩、承臺和鉆孔灌注樁基礎（見圖1）。

圖1 6#橋墩橫斷面圖

3 大跨度預應力門架墩設計

3.1 蓋梁構造尺寸

上部結構橫斷面確定后，蓋梁擋塊與箱梁腹板之間考慮5 cm間隙，確定蓋梁總長為24.6 m?？紤]預應力蓋梁地面車輛通行凈空、凈寬，高架橋路線單向橫坡，采用門架墩方案，跨中正彎矩控制設計方案，通過初步試算確定蓋梁高度為2.4 m，兩墩柱中心間距為22.5 m，蓋梁中心到端部采用等高度。通過初步分析，蓋梁與雙墩柱固結體系為超靜定結構，預應力損失較大，墩梁固結處彎矩較大，對墩柱受力不利，因此改用一個墩梁固結，一個墩頂放置單向盆式支座方案。

上述蓋梁尺寸滿足橋下凈空、凈寬要求，受力滿足抗剪、抗彎要求。綜合結構受力、施工、鋼筋布置構造等要求，考慮到城市景觀效果，蓋梁順橋向寬為2.2 m。

預應力蓋梁一般構造尺寸如圖2所示。

3.2 預應力鋼束布置

圖2 預應力蓋梁構造圖

預應力混凝土蓋梁采用A類預應力混凝土構件，混凝土等級為C50。蓋梁共布置17根預應力鋼束，采用15.24低松弛高強鋼絞線，錨下張拉控制應力為1 339.2 MPa，兩端張拉。

3.3 預應力蓋梁施工工序

預應力蓋梁施工步驟如下：

（1）搭設支架、立模澆注蓋梁C50混凝土。

（2）待混凝土強度達95%且齡期不小于7 d，對稱張拉N1、N3、N5鋼束，預應力管道壓漿。

（3）待壓漿強度達100%，折除蓋梁模板和腳手架。架設前后跨小箱梁，小箱梁需從墩柱中心向兩側對稱吊裝。

（4）待蓋梁兩側小箱梁吊裝完畢，對稱張拉N2、N4鋼束，壓漿并封錨。

（5）待壓漿強度達100%，澆注接縫，施工現澆層、橋面鋪裝及防撞護欄等。

（6）成橋、運營。

表1為鋼束參數表；圖3為鋼束布置圖。

表1 鋼束參數表

圖3 鋼束布置圖

4 結構建模及計算參數取值

根據蓋梁的幾何尺寸及其以彎矩、剪力、軸力（預應力引起）為主的受力特點，采用 MIDAS軟件梁單元建模進行計算分析。

（1）由于墩柱底接承臺，承臺下群樁基礎，故模型按實際墩柱高度建模，墩底固結。

（2）由于蓋梁處上部結構為端橫梁，故橋面單元高度按端橫梁實際高度取值，彈性模量按C50取值，重力取0。

（3）橫橋向橋面單元按實際車行道寬度建模，橋面單位與蓋梁單元之間采用彈性連接模擬板式橡膠支座，豎向剛度取1e7 kN·m，橫向和縱向剛度取 100 kN·m。

（4）小箱梁自重、二期恒載等根據施工順序，按實際位置施加。

（5）溫度荷載考慮整體升降溫，不考慮溫度梯度的影響。

（6）采用 MIDAS橫向移動荷載進行橫向加載計算。橫向車輪荷載=沖擊系數×[（左側橋孔長度×均布荷載+右側橋孔長度×均布荷載）/2+集中荷載（以左、右側較大跨徑計）×1.2（剪力效應，算承載力時考慮，算裂縫時不考慮）]。

圖4、圖5為其結構計算模型。

圖4 結構計算模型（一）

圖5 結構計算模型（二）

5 計算結果分析

5.1 正截面抗彎強度驗算（見圖6）

圖6 正截面抗彎強度云圖

5.2 斜截面抗剪強度驗算（見圖7）

圖7 斜截面抗剪強度云圖

5.3 施工階段混凝土應力（見表2）

表2 施工階段混凝土應力一覽表（單位：MPa，拉應力為正，壓應力為負）

按照新《公橋規》第7.2.8條規定，在預應力和構件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應力應符合下列規定：壓應力σcct≤0.70 fck’，拉應力σctt≤0.70 ftk’。該橋施工時混凝土強度已達到標準強度95%，故壓應力允許值0.70 fck’＝0.70×0.95×32.4＝-20.55（MPa），拉應力允許值0.70 ftk’＝0.70×0.95×2.65＝（1.76）MPa。由表2可見，施工階段混凝土應力滿足要求[3][4][5]。

5.4 正常使用極限狀態抗裂驗算

5.4.1 短期效應組合抗裂驗算（見表3）。

表3 短期效應組合抗裂驗算表（單位：MPa，拉應力為正，壓應力為負）

由表3可見，該橋在短期效應組合下的抗裂驗算滿足要求[3][4][5]。

5.4.2 長期效應組合抗裂驗算（見圖8、圖9）

圖8 長期效應組合正應力圖（上緣）（單位：MPa，拉應力為正，壓應力為負）

圖9 長期效應組合正應力圖（下緣）（單位：MPa，拉應力為正，壓應力為負）

由圖8、圖9可見，該橋在長期效應組合下截面正應力未出現正值，抗裂驗算滿足要求[3][4][5]。

5.5 持久狀況應力驗算（見表4、表5）

表4 持久狀況混凝土應力驗算表（單位：MPa，拉應力為正，壓應力為負）

表5 持久狀況預應力鋼筋應力驗算表（單位：MPa，拉應力為正，壓應力為負）

由表4可見，該橋在持久狀況下混凝土的應力滿足要求[3][4][5]。

由表5可見，該橋在持久狀況下預應力鋼筋的應力滿足要求[3][4][5]。

5.6 正常使用極限狀態撓度計算

在荷載短期效應組合下跨中最大撓度為17.3 mm。

按照新《公橋規》第6.5.3條規定，受彎構件在使用階段的撓度應考慮荷載長期效應的影響。

該橋采用C50混凝土，其撓度長期增長系數ηθ＝1.425，結構自重產生的撓度為12.3 cm，則消除結構自重后產生的長期撓度為：1.425×(17.3-12.3)=7.1（mm）<22 500/600=37.5（mm），主梁的最大撓度不應超過計算跨徑的1/600，滿足規范要求[3-5]。

6 結論

通過以上分析論證，預應力蓋梁在極限承載能力、正常使用極限狀態下，均能滿足規范及實際運營要求。

在設計及施工過程中，需嚴格按照計算模型中的施工步驟，預應力張拉順序、混凝土齡期要求等進行，使計算模擬與實際施工更貼近一致，從而保證蓋梁建成后的實際受力及運營更安全、更耐久。

[1]陳明清.大跨度門架墩設計探討[J].城市道橋與防洪，2009，（8）.

[2]萬志勇，蘭南.框架墩的計算與應用[J].城市道橋與防洪，2006，（1）.

[3]TG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[4]JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[5]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].