橋墩蓋梁的設計與計算分析

全炳欣

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

0 引言

山陰至平魯高速公路上一高架橋，由于施工方面要求，現把中間某跨由現澆改為預制。此跨為5×30一聯，橋面凈寬為凈11.75～15.5m；上部結構采用預應力砼（后張）小箱梁，先簡支后連續；下部結構采用柱式墩，墩臺采用樁基礎。跨內墩高為24m左右，樁基礎。由于蓋梁下面橋墩尺寸已經擬定，現必須通過上下部受力計算擬定蓋梁尺寸，進行蓋梁設計。

1 橋墩蓋梁的尺寸擬訂

1.1 蓋梁尺寸初步擬定

現以橋面最寬的連續墩為例，進行分析說明。橋墩上橋面寬度為15.25m寬，柱間距6.8m。柱徑1.6m，樁徑1.8m。 檔塊底部寬度為0.45m，蓋梁長度計算為14.45m。其寬度和高度需通過計算作初步的擬訂。

1.2 蓋梁尺寸最終擬定

1.2.1 作用計算

荷載作用包括永久作用、可變作用、施工吊裝荷載以及橋墩沿縱向的水平力。應當注意的是,在計算可變作用時汽車荷載的輪重不是直接作用在蓋梁上，而是通過設在蓋梁上固定位置處的支座來傳遞活載反力。因此，首先應根據規定的設計荷載。分別按其在蓋梁上可能產生的最不利情況，求出支點的最大作用。另外，當荷載對稱布置時按杠桿法計算，當荷載非對稱布置時按剛性橫梁法計算。

1.2.2 作用效應計算

通常情況下，柱式墩蓋梁計算時的控制截面選取支點與跨中截面。在計算支點負彎矩時，采用永久作用和非對稱布置可變作用的反力；在計算跨中正彎矩時，采用永久作用和對稱布置可變作用的反力。橋墩沿縱向的水平力以及荷載的偏心會對蓋梁產生扭轉，計算時應予以計入。

1.2.3 截面配筋計算

鋼筋混凝土蓋梁的配筋驗算方法與鋼筋混凝土梁配筋相同，即根據彎矩包絡圖配置受彎鋼筋，根據剪力包絡圖配置彎起鋼筋和箍筋，并應計算截面扭矩所需要的縱向鋼筋和箍筋。當采用預應力混凝土蓋梁時，其預應力鋼筋與普通鋼筋的配置與預應力混凝土梁式構件相類似[1]。

按照以上步驟，對初步擬訂的多種蓋梁寬度和高度進行比較，最終擬定蓋梁尺寸為2m×2m（高×寬）。

2 蓋梁的計算模型與分析

2.1 蓋梁的計算模型

蓋梁結構受力采用同濟大學橋梁工程系編制的《橋梁博士V2.95》軟件進行計算。按平面桿單元將整個蓋梁（含墩身）先劃分為單元和節點（幾何模型如圖1所示）。蓋梁部分為橋面單元，橋墩部分為非橋面單元。兩個樁頂采用水平、豎直和轉動三個方向的剛性約束，其余節點無約束。

由于柱的鋼筋伸入到蓋梁內，與蓋梁鋼筋綁扎成整體，并且柱與蓋梁是整體現澆的，其相互間是剛性連接，因此蓋梁不是理想的簡支結構。只有當柱的高度較大，導致柱的線剛度較低時，蓋梁在構造上才接近簡支結構。

圖1 計算幾何外形圖

文獻[2]規定：墩臺蓋梁與柱應按剛構計算。當蓋梁與柱的線剛度（EI/L）之比大于5時，為簡化計算，可以忽略節點不均衡彎矩的分配及傳遞；雙柱式墩臺蓋梁可按簡支梁或懸臂梁進行計算和配筋。

目前蓋梁的計算圖式主要有雙懸臂簡支梁（連續梁）計算圖式和雙懸臂剛架結構計算圖式。使用傳統計算模型計算蓋梁時應先確定其線剛度比，以判斷采用何種計算圖式進行計算。平面簡化模型及全橋空間模型由于采用有限元方法可直接建立模型計算，不必利用線剛度比確定計算圖式。

本實例的蓋梁跨高比在2.5＜l／h≤5范圍內，蓋梁的截面應變不符合平截面假定，即混凝土的應變沿截面高度不符合線性分布，不能按照一般梁計算，應采用空間模型求解蓋梁內力。

2.2 蓋梁的計算分析

蓋梁在支撐處的負彎矩，理論上會呈現尖形的突變，而實際支撐處具有一定的支撐寬度，并不是一個點支撐，真實的彎矩圖應呈圓滑的曲線型。文獻[2]規定：計算連續梁中間支撐處的負彎矩時，可考慮支座寬度對彎矩折減的影響，折減后彎矩不得小于未經折減的彎矩的0.9倍。對于普通鋼筋混凝土雙柱式橋墩蓋梁取0.85均能滿足工程需要，但是當遇到柱直徑較小或蓋梁高度不高等特殊情況時應謹慎計算。使用平面簡化模型計算時，對于雙柱式蓋梁，當上部為奇數片梁時，比較接近真實受力狀態，無需對跨中彎矩值進行折減；為偶數片梁時，跨中彎矩計算值可進行適當折減。

蓋梁是彎剪受力為主的構件，在彎曲正應力和剪應力的共同作用下，將產生與梁軸線斜交的主拉應力及主壓應力。因混凝土的抗壓強度較高，一般不會被壓壞；當主拉應力較大時，則可能使構件沿著垂直于主拉應力方向產生斜裂縫，并導致蓋梁斜截面發生破壞。因此，鋼筋混凝土蓋梁除應進行正截面強度計算外，還需對彎矩和剪力同時作用的區段進行斜截面強度計算。這就要求蓋梁除了具有合理的截面尺寸之外，還應配置斜彎鋼筋和箍筋。

一般情況受彎構件的破壞形態主要有彎曲破壞、剪切破壞和彎剪界限破壞等三種。配筋有適筋破壞、超筋破壞和少筋破壞。當梁發生彎曲破壞時，其縱向受拉鋼筋的配筋率往往很小，配筋率增加到一定數值后，梁將不再發生彎曲破壞，而轉成剪切破壞。剪切破壞的形式主要是斜壓或劈裂破壞，但對于短梁則發生斜壓或剪壓破壞。當配筋率等于彎剪界限破壞配筋率時，隨著斜裂縫的出現和開展，深梁在其斜裂縫處受拉鋼筋屈服的同時，將發生其腹板的斜壓破壞，這種破壞稱為彎剪界限破壞。本實例介于短梁和深梁之間，因此合理配筋尤為重要。

以下是通過計算得出的彎矩、剪力、軸力三種內力分析圖。

圖2 彎矩分析圖

圖3 剪力分析圖

圖4 軸力分析圖

3 結論

通過分析計算有以下幾點體會：

a）對蓋梁抗剪能力來說，箍筋和混凝土比斜筋能起到更有效的作用，箍筋間距，以10～20cm為宜，本設計采用10cm；

b）本設計由于懸臂過大，對彎起筋（斜筋）配置進行了加強，間距采用30～50cm，自跨中到懸臂由密到疏進行配置；

c）由于采用有限元模型，蓋梁的各部分受力都能明確體現出來，能夠更好地受力進行分析；

d）由于l／h≤5梁不會出現斜拉破壞，剪切變形對梁的撓度的影響忽略不計。

[1]楊樹萍，紀秋吉，朱東.關于蓋梁計算模型的探討[J].工程與建設，2011，（25）：50-52.

[2]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].