預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計(jì)分析

胡 娜 成寧波

（1.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院， 重慶 400020；2.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074）

0 引言

常規(guī)公路橋梁設(shè)計(jì)中，橋面單幅寬度一般在13m 以內(nèi)，橋墩蓋梁墩柱的跨徑一般在10m 以內(nèi)，一般均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工成本低、施工方便快捷。但在某些特殊環(huán)境中，如避免與既有建筑物干擾、結(jié)構(gòu)凈空受限、橋梁美觀要求高等，當(dāng)普通鋼筋混凝土蓋梁不能滿足設(shè)計(jì)和建設(shè)要求時(shí)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁成為一種較為合理的方式。本文對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討。

1 橋梁建設(shè)中預(yù)應(yīng)力技術(shù)概述

在橋梁施工中預(yù)應(yīng)力技術(shù)指的是在混凝土工程中應(yīng)用形成的預(yù)應(yīng)力，減弱或消除外部荷載的拉應(yīng)力，提高構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度，防止混凝土因承受較大拉力出現(xiàn)破裂。蓋梁作為橋墩頂端的傳力部分，依靠蓋梁支座承受上部結(jié)構(gòu)的恒載和車輛及人群荷載，預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)在城市高架橋或特殊環(huán)境下有著非常廣泛的應(yīng)用。

1.1 從橋梁建設(shè)成本上來(lái)說(shuō)，預(yù)應(yīng)力蓋粱梁高相對(duì)較小，橋下空間大，跨徑大，并且結(jié)構(gòu)耐久性較普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要好，并可減少下部樁柱的工程量，節(jié)約工程造價(jià)。

1.2 從橋梁的結(jié)構(gòu)性能上來(lái)說(shuō)，預(yù)應(yīng)力混凝土變形小、耐久性好、剛度大，能大幅度提高構(gòu)件的耐久性能。預(yù)加應(yīng)力消除了使用荷載下形成的裂縫，使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提升，預(yù)應(yīng)力撓度通常與荷載撓度相反，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和普通混凝土結(jié)構(gòu)相比總撓度明顯減小， 構(gòu)件在受拉之后在開裂部位施加一定預(yù)壓應(yīng)力，能較好的控制裂縫?？v向預(yù)應(yīng)力鋼筋防止構(gòu)件出現(xiàn)斜裂縫，使構(gòu)件的整體抗剪能力提高。

1.3 從橋梁美觀度來(lái)說(shuō)，蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)鋼材的利用不僅能降低結(jié)構(gòu)自重20%—30%左右，還能減小外觀尺寸，體現(xiàn)柔美的特點(diǎn)，使橋梁與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，符合人們的審美需要。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁受力及施工特點(diǎn)

2.1 預(yù)應(yīng)力蓋梁的受力特點(diǎn)

蓋梁作為橋梁建設(shè)中承上啟下的關(guān)鍵構(gòu)件，將上部結(jié)構(gòu)的恒載和活載向下傳遞給墩柱和樁基，實(shí)際上蓋梁在結(jié)構(gòu)中主要以彎、剪、扭三種受力為主，其自重引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不大，主要是外加荷載和梁體通過支座傳遞的集中力，車輛活載一般能占到總內(nèi)力的三分之一左右。施工階段和活載作用時(shí)，蓋梁承受的扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力要小于豎向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力，因?yàn)椴皇怯谰煤奢d一般不作為受力設(shè)計(jì)計(jì)算，一般采取增加抗剪鋼筋措施消除扭轉(zhuǎn)內(nèi)力影響。

2.2 預(yù)應(yīng)力筋張拉技術(shù)控制嚴(yán)格

蓋梁預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)采用后張法較多，因?yàn)殇撌鴶?shù)較多一般采取單向或雙向或單雙向交叉使用，要嚴(yán)格控制預(yù)留張拉孔道、張拉前穿束、端頭錨固等施工技術(shù)。通常鋼束分兩批、兩端張拉，張拉次數(shù)過多影響施工，張拉次數(shù)過少應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。鋼束第一次張拉一般安排在蓋梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后，待完成上部結(jié)構(gòu)的架設(shè)工作之后，再進(jìn)行第二次張拉，最后實(shí)施橋面鋪裝等附屬設(shè)施。要嚴(yán)格按計(jì)算分批張拉，避免應(yīng)力超標(biāo)。另外，預(yù)應(yīng)力蓋梁一般采用大噸位的預(yù)應(yīng)力鋼束較多，錨具處的應(yīng)力較為集中，通常要設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)。

2.3 施工難度系數(shù)高

通常墩柱的間距和蓋梁的長(zhǎng)度都較大，同一個(gè)結(jié)構(gòu)桿件存在不同的正負(fù)彎矩，再加上復(fù)雜的預(yù)應(yīng)力管道布設(shè)，大體積的混凝土澆筑，無(wú)疑增加了施工難度、澆注難度大和底模支撐的難度。特別是底模支撐技術(shù)要求嚴(yán)格，通常采用墩柱上部預(yù)埋鷹臂支架、萬(wàn)能桿件拼組支撐、滿堂式支架、貝雷支架等不同結(jié)構(gòu)形式的組合搭配，施工不規(guī)范容易引起蓋梁結(jié)構(gòu)下沉。一方面是因?yàn)橹吸c(diǎn)地基承載力引起的不均勻下沉；一方面是因?yàn)樯w梁底模安裝沒有留設(shè)適當(dāng)預(yù)拱度造成施工荷載或蓋梁自重引起下沉。普通鋼筋做成骨架形式，普通鋼筋的直徑要符合設(shè)計(jì)要求，并適當(dāng)增加抗剪斜筋配置。拆除腳手架支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，要分區(qū)段按順序有計(jì)劃、有間隔的進(jìn)行，確保安全。

2.4 嚴(yán)格受力計(jì)算和施工監(jiān)測(cè)

這兩項(xiàng)工作是預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各種支撐桿件要經(jīng)過嚴(yán)密的計(jì)算，確保在滿足全部荷載的要求上進(jìn)行施工，關(guān)鍵部位要進(jìn)行支撐靜載試驗(yàn)，確保支架的彈性壓縮和非彈性壓縮值處于合理范圍。除此之外，要實(shí)時(shí)觀測(cè)支撐腳手架在設(shè)計(jì)荷載作用下的沉降，監(jiān)測(cè)混凝土配比設(shè)計(jì)和混凝土質(zhì)量，驗(yàn)算張拉應(yīng)力各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)能引起結(jié)構(gòu)變化的所有事項(xiàng)。

3 預(yù)應(yīng)力蓋梁計(jì)算要點(diǎn)

3.1 單元的簡(jiǎn)化

根據(jù)蓋梁的幾何尺寸和其結(jié)構(gòu)中主要以彎、剪、扭三種受力為主的特點(diǎn)，將其簡(jiǎn)化成平面桿系單元運(yùn)用結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，對(duì)比模擬成實(shí)體單元計(jì)算方式來(lái)說(shuō)，不僅簡(jiǎn)單方便，而且能滿足設(shè)計(jì)的控制要求。雖然局部區(qū)域如墩柱與蓋梁連部位、支座墊石附近可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，可以采取增強(qiáng)構(gòu)造鋼筋等方法來(lái)進(jìn)行消除。除非有特殊要求的情況下，一般將蓋梁用平面桿系有限元模擬計(jì)算比采用實(shí)體單元計(jì)算更加方便、可行。

3.2 荷載的簡(jiǎn)化

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁受本身自重及上部結(jié)構(gòu)梁體、橋面鋪裝、防撞護(hù)欄等自重和活載經(jīng)支座傳遞過來(lái)的集中力影響，蓋梁自重計(jì)算一般比較簡(jiǎn)單、明確，作為集中力加載上去就行?；钶d計(jì)算比較復(fù)雜需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，要對(duì)蓋梁內(nèi)力最不利情況下活載引起的各支座反力進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。上部結(jié)構(gòu)為T 梁的計(jì)算步驟如下：求出T 梁支座反力影響線→根據(jù)T 梁支座反力影響線設(shè)計(jì)活載和最大支座反力→順蓋梁方向按車輪最不利位置布置車輛活載→根據(jù)車輪橫向布置求出相應(yīng)各梁體荷載橫向分布系數(shù)→根據(jù)橫向分布系數(shù)和最大支反力求出活載經(jīng)梁體傳遞作用在蓋梁的各集中力。五個(gè)步驟計(jì)算操作非常繁瑣，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。可以假設(shè)預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁?jiǎn)卧獮闃蛎鎲卧?，直接在蓋梁上橫向布置活載車輛，計(jì)算蓋梁最不利內(nèi)力，或者用邊梁的最大活載反力來(lái)代替其他所有梁活載反力，雖然這兩種簡(jiǎn)單算法可能使結(jié)果有所誤差，但偏差在合理范圍內(nèi)，不影響設(shè)計(jì)要滿足的要求。

3.3 邊界條件的簡(jiǎn)化

預(yù)應(yīng)力蓋梁計(jì)算如果邊界條件采用模擬形式不同，會(huì)影響到墩柱頂負(fù)彎矩，對(duì)邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化要分析墩柱頂?shù)氖芰Γ鶕?jù)墩柱頂負(fù)彎矩最不利截面，實(shí)際計(jì)算中將邊界條件簡(jiǎn)化成單點(diǎn)鉸支座、兩點(diǎn)鉸支座、單點(diǎn)固結(jié)三種情況。通過計(jì)算和對(duì)比，單點(diǎn)鉸支座支點(diǎn)控制截面負(fù)彎矩最大，對(duì)偏差適當(dāng)消減即可；兩點(diǎn)鉸支座支點(diǎn)控制截面負(fù)彎矩值與所兩點(diǎn)鉸支座的距離關(guān)系密切，確定支座距離缺乏有效依據(jù)，計(jì)算準(zhǔn)確性難以保證，所以采用不多；單點(diǎn)固結(jié)支點(diǎn)控制截面負(fù)彎矩和單點(diǎn)鉸支座方法相比，在墩柱外側(cè)截面的計(jì)算結(jié)果偏差不大，二者都能滿足計(jì)算設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著公路橋梁跨度和橋面寬度的不斷增大，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土蓋梁澆筑技術(shù)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前橋梁建設(shè)發(fā)展的要求，預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁以其變形小、耐久性好、剛度大等特點(diǎn)，成為大跨徑預(yù)應(yīng)力蓋梁橋梁建設(shè)的大勢(shì)所趨。本文從橋梁建設(shè)中預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用入手，分析了預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁受力、施工特點(diǎn)及預(yù)應(yīng)力蓋梁計(jì)算要點(diǎn)，只要保證預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)和施工滿足相關(guān)規(guī)范要求，避免后期超載運(yùn)營(yíng)，就能保證施工階段和后期使用過程的結(jié)構(gòu)安全。