三柱式大懸臂預應力混凝土蓋梁設計要點

■汪曉倩 蔣倫崗

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210000)

三柱式大懸臂預應力混凝土蓋梁設計要點

■汪曉倩 蔣倫崗

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210000)

本文結合328國道海姜段快速化改造工程中的一處三柱式大懸臂預應力混凝土蓋梁算例，總結了該類型蓋梁的設計思路及注意事項。尤其是墩柱與蓋梁連接處結構受力復雜，多為結構設計的控制性截面，需合理選擇墩柱與蓋梁的連接形式；結構計算時應合理選擇架梁順序及預應力鋼束的張拉順序，以保證施工過程結構安全。

三柱式大懸臂蓋梁 預應力混凝土 計算分析

328國道海姜段快速化改造工程位于泰州市，連接海陵區與姜堰區，其中設置一處高架橋。高架橋上部結構形式采用裝配式部分預應力混凝土簡支組合箱梁，下部結構綜合考慮施工工藝、工期、景觀等因素，采用工藝成熟、工期短、橋下通透性較好的大懸臂預應力混凝土倒“T”蓋梁形式。

高架橋標準段橋面全寬25.5m，整幅橋共8片組合箱梁，下部結構采用雙柱式大懸臂蓋梁。高架橋變寬段橋墩蓋梁加長，并在兩側(單側)采用設置邊支墩的結構形式。

本文選取變寬段其中一處橋墩——69#橋墩，簡要介紹三柱式大懸臂預應力混凝土蓋梁的設計要點。

1 概述

1.1 蓋梁構造尺寸

蓋梁為三柱式大懸臂蓋梁，全寬28.4m，柱距為12.55m+4.9m，蓋梁右側懸臂端部至墩柱中心距離為9.85m。蓋梁采用變截面形式，端部高1.2m，根部高2m，倒“T”部分高度1.705m。墩柱采用矩形墩，截面尺寸1.6m×1.8m，蓋梁主要尺寸見下圖1：

圖1 橋墩構造圖(單位：cm)

蓋梁采用C50混凝土，墩柱采用C40混凝土，承臺及樁基采用C30混凝土。

1.2 蓋梁預應力體系

蓋梁右側翼緣端部至墩柱中心的距離與墩柱中心距離的比值為2.46，遠大于傳統蓋梁間距，蓋梁翼緣的長懸臂效應非常突出，故蓋梁內需要配置預應力鋼束以改善蓋梁受力狀態。

圖2 蓋梁預應力鋼束布置圖

按照A類預應力混凝土構件進行蓋梁設計，預應力鋼絞線采用抗拉強度標準值fpk＝1860MPa、公稱直徑d=15.2mm的高強低松弛鋼絞線。預應力管道采用金屬波紋管，真空輔助灌漿工藝，管道摩擦系數取0.25，局部偏差系數取0.0015，張拉端錨具變形、鋼束回縮按每端6mm考慮。

蓋梁內共布置10根預應力鋼束，其中N1a、N1b、N2～N4采用17Φs15.2mm型鋼束，N5采用15Φs15.2mm型鋼束。蓋梁預應力鋼束布置圖如2所示：

2 蓋梁計算

2.1 蓋梁模型

采用橋梁博士V3.2有限元程序建立蓋梁計算模型，蓋梁及墩柱單元劃分見圖3：

圖3 蓋梁計算模型

在邊支墩與蓋梁的連接形式上，本例進行了2種連接方式的對比。第一種為邊支墩與蓋梁剛接，在此計算模式下，邊支墩為大偏心受壓構件，經計算在現有的構造尺寸下，其裂縫計算不滿足規范要求，需要增大邊支墩截面尺寸來適應其受力要求，考慮到市政高架橋梁的景觀要求，需盡量保持下部墩柱結構尺寸的統一，故本例最終采用了第二種連接形式，即邊支墩與蓋梁之間通過支座連接，來解決上述問題。以下計算結果均是基于第二種連接方式。

2.2 計算參數

蓋梁設計考慮的作用于其上的主要荷載有：

恒載：其中一期恒載包括上部預制小箱梁自重，二期恒載包括橋面鋪裝、護欄重量等。

活載：公路一級荷載，考慮車道的不利布置，按橫向加載進行計算。

溫度作用：考慮整體升降溫25℃，并按照規范要求考慮蓋梁非線性溫度變化。

2.3 承載能力極限狀態強度驗算

基本組合下，蓋梁彎矩包絡圖如圖4～圖5所示：

圖4 最大彎矩及對應抗力

圖5 最小彎矩及對應抗力

蓋梁承載力最小富裕量為7%，滿足規范要求。

2.4 正常使用極限狀態抗裂驗算

正常使用極限狀態下，蓋梁截面混凝土結構的抗裂驗算結果見表1。

表1 混凝土抗裂驗算結果(MPa)

由上表可見，正常使用極限狀態下蓋梁截面混凝土結構抗裂驗算滿足規范要求。

2.5 持久狀況構件應力驗算

使用階段標準組合下，蓋梁截面混凝土結構持久狀況應力計算結果見表2。

表2 持久狀況混凝土應力驗算(MPa)

本橋在持久狀況下混凝土的應力滿足要求。

2.6 短暫狀況應力計算結果

架梁順序及剛束張拉順序對施工階段應力影響很大，本例選取了兩種不同的施工順序來進行試算對比。

2.6.1 第1種施工順序

一次性架梁，分批張拉鋼束，共分5個施工階段完成蓋梁施工：

(1)澆筑蓋梁，張拉第一批預應力束：N1a、N1b 、N4、N5鋼束；

(2)一次性架梁；

(3)張拉第二批預應力束：N2、N3；

(4)施加二期荷載；

(5)成橋10年。

2.6.2 第2種施工順序

考慮分批架梁及分批張拉鋼束，共分7個施工階段完成蓋梁施工：

(1)澆筑蓋梁，張拉第一批預應力束：N1a、N4、N5 鋼束；

(2)架設第一批組合箱梁(小樁號側9片組合箱梁)；(3)張拉第二批預應力束：N1b；

(4)架設第二批組合箱梁(大樁號側10片組合箱梁)；

(5)張拉第三批預應力束：N2、N3；

(6)施加二期荷載；

(7)成橋10年。

按照上述兩種施工順序進行蓋梁施工過程模擬計算分析，計算結果見表3～表4：

表3 第1種施工順序下的混凝土應力(MPa)

表4 第2種施工順序下的混凝土應力(MPa)

由表可見，施工過程中蓋梁截面最大壓應力≤20.4 MPa，最大拉應力≤-1.67MPa，均滿足規范要求。

但是對比各施工階段的支反力可以發現，第1種施工順序的第(1)施工階段，邊支墩支座處出現負反力，這是由于第(1)施工階段張拉了過多的鋼束導致，因此不可取。最終我們選用了第2種蓋梁施工順序。

表5 不同施工順序下的邊墩支反力(kN)

3結語

(1)三柱式大懸臂預應力混凝土蓋梁，因結構受力復雜，應注意下部墩柱，尤其是邊支墩的偏心受壓驗算，必要時在邊支墩與蓋梁之間設置支座。

(2)對于大懸臂預應力混凝土蓋梁，應注意架梁順序并合理選擇預應力鋼束的張拉順序，以使蓋梁處于合理的受力狀態。同時如果蓋梁與墩柱之間選用支座連接，要注意各施工階段的支座反力，以免出現負反力將支座拉壞，可通過調整施工順序及鋼束張拉順序來消除施工階段的負反力。

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