預制裝配式橋梁下部結構參數優化設計

張金康 姚 凱 傅晨曦 王 猛

（1 南京市公路事業發展中心；2 華設設計集團股份有限公司）

0 引言

近些年來，預制裝配式橋梁因其設計標準化、施工質量高、工程造價低、安全風險小、施工速度快、綠色又環保等諸多優點而被逐漸應用于各類橋梁工程中[1-4]，如：2002 年建造的東海大橋采用了矩形薄壁空心橋墩，進行節段預制裝配[5]；2003 年上海滬閔高架二期工程同樣應用了預制節段裝配體系；隨后，杭州灣大橋、舟山金塘大橋、上海長江大橋等工程也相繼采用預制裝配技術，實現高效、優質、耐久的建設目的。

相對于現澆構件而言，下部結構蓋梁及橋墩的多樣化難以形成標準制品，且預制構件對尺寸和重量的要求較高，運輸、安裝、連接等問題突出，相關內容尚未形成業內參考標準[6]，要求設計人員不斷地對構件設計參數進行優化分析，但目前該方面的研究尚缺少參考實例。基于以上不足，以某城市高架橋為背景，建立Midas 有限元模型，對初步方案進行參數分析，得到優化方案，進而為預制裝配式下部結構的設計及發展提供參考。

1 裝配式下部結構初步方案

1.1 工程背景

某城市高架橋路線全長7.345km，預制橋梁全長約5km，橋梁占比高達68.07%。標準段橋梁全寬33m，雙向六車道，為提高建造效率、減少施工對周圍環境的影響，采用全預制裝配式混凝土橋梁（上部結構為簡支小箱梁，下部結構為柱式橋墩以及整體式倒T 型蓋梁）。橋梁橫斷面布置情況如圖1 所示。

圖1 橋梁橫斷面布置

1.2 初步設計

背景工程穿行多條城市干道，主要難點有：①對施工效率、環境保護等提出了較高的要求；②附近道路、建筑等構筑物多，土地資源緊張；③擴建起點、終點均和既有道路相接，橋梁建筑高度受限。通過分析后認為，采用全預制裝配式結構，選取合理的型式，可以較好地解決建造過程中存在的難題。

為減少下部結構數量，上部結構采用30m 標準跨徑的簡支小箱梁的結構體系。由于蓋梁截面較高，所受彎矩較大，為減小對橋下空間的占用面積，采用倒T 蓋梁型式，并在下方設置矩形墩。根據橋寬及墩柱布置方式的不同，全橋共設置A～D 共4 類蓋梁，其中標準段蓋梁見圖2 所示。

在初步設計方案中，倒T 蓋梁截面尺寸參數如圖3所示，其數值見表1 所示。該方案在驗算時，各項指標均符合相關規范要求，但蓋梁的總體重量較大，不利于運輸和吊裝，需要對該方案進行參數優化。

圖2 標準段蓋梁型式

圖3 蓋梁截面尺寸示意

表1 倒T 蓋梁截面尺寸初始方案設計值 (cm)

2 方案優化

在表1 所示的五個參數中，上頂高度和上部結構小箱梁的高度有關，牛腿寬度需要滿足抗震的構造要求，均無法更改，因此，可以繼續優化的參數為：倒T 蓋梁高度H、倒角高度h、上頂寬度B。采用橋梁通用有限元軟件Midas/Civil 建立標準段下部結構的數值模型，如圖4 所示。經試算，蓋梁控制設計的指標為：使用階段抗裂性（按照預應力A 類構件進行設計）和正截面抗彎承載力。

圖4 下部結構Midas 模型

2.1 倒T 蓋梁高度優化分析

將蓋梁截面倒T 高度由190cm 依次改成180cm、170cm、160cm、150cm、140cm、130cm、120cm，對蓋梁在頻遇組合及準永久組合下的抗裂性及使用階段正截面抗彎承載能力進行驗算，各項指標的變化情況見圖5～圖8 所示。

圖5 頻遇組合截面最大拉應力變化情況

圖6 準永久組合截面最大拉應力變化情況

圖7 截面抗彎承載能力變化情況

圖8 截面彎矩能需比變化情況

從以上計算結果可發現，隨著倒T 蓋梁高度的增加，頻遇及準永久荷載組合下截面最大拉應力值有所減小，截面彎矩值、需求值及能需比有所增加。當蓋梁高度在150cm～160cm 時，各項指標均可以較好地符合設計要求，且截面承載能力尚有10%～15%的富余度；此時，經計算，相對于初始方案，其自重減小了15%～20%。

2.2 倒角高度優化分析

將蓋梁截面的倒角高度由60cm 依次改成50cm、40cm、30cm、20cm、10cm、0cm，對設計控制指標進行計算，結果如圖9～圖12 所示。

圖9 頻遇組合截面最大拉應力變化情況

圖10 準永久組合截面最大拉應力變化情況

圖11 截面抗彎承載能力變化情況

圖12 截面彎矩能需比變化情況

從中可見，頻遇及準永久荷載組合下截面最大拉應力值隨倒角高度增加而降低，截面彎矩值、需求值及能需比隨倒角高度增加而增加。綜合構件的美觀性和承載能力情況，當倒角高度控制在30cm～40cm 范圍內時較為理想，此時可以保證彎矩富余度在15%以上，但蓋梁自重減小百分比卻在10%以下。

2.3 上頂寬度優化分析

由于蓋梁上頂處需要張拉預應力，寬度過小會給布束帶來麻煩，綜合考慮布置預應力筋時的構造要求和影響規律分析所需數據的數量，將蓋梁上頂寬度由120cm依次改成110cm、100cm、90cm、80cm、70cm、60cm，對控制指標進行計算，結果如圖13～圖16 所示。

圖13 頻遇組合截面最大拉應力變化情況

圖14 準永久組合截面最大拉應力變化情況

圖15 截面抗彎承載能力變化情況

圖16 截面彎矩能需比變化情況

根據計算結果可見，隨著蓋梁上頂寬度的增加，使用階段頻遇及準永久荷載組合下截面最大拉應力先減小后增加，截面彎矩需求值及能力值略有增加，但截面彎矩能需比卻基本沒有變化。由于蓋梁設計為預應力混凝土構件，需要添加兩列或者三列的預應力鋼束，綜合考慮波紋管及錨具的尺寸、構造要求，蓋梁上頂寬度在90cm～100cm 時較為理想。

2.4 優化方案

對以上三個設計參數中的兩個或三個同時進行更改，進而確定標準段蓋梁最優的設計參數。根據各個指標增量的對比分析，及反復的試算，結合相關構造要求，最終確定了如下的優化方案：

倒T 蓋梁高度160cm，倒角高度40cm，蓋梁上頂寬度100cm。

此時，優化方案各項驗算指標的計算結果見表2 所示，與初始方案的經濟性對比情況見表3 所示。

從以上計算及對比情況來看，優化方案不僅滿足各項指標的要求，而且自重降低了16.18%，經濟性降低了16.17%，可見優化方案可以降低成本，有利于運輸和安裝，較初始方案更為理想。

表2 優化方案各項驗算指標計算結果

表3 初始方案與優化方案經濟性對比

3 結論

以某城市高架橋為工程背景，建立了下部結構初步方案的有限元模型，對標準段蓋梁截面的設計參數進行分析，得到了優化方案，主要工作和結論有：

⑴在對裝配式蓋梁進行設計時，需要注意運輸和吊裝時構件重量的限制，在滿足相關設計要求的同時，盡量降低蓋梁的設計尺寸，對相關參數進行反復的優化分析；

⑵對倒T 蓋梁的設計參數進行了數值計算，探明了蓋梁控制設計指標隨截面尺寸的變化規律；

⑶綜合考慮設計、美觀、運輸、吊裝、經濟等多方面因素，提出了一種滿足要求的蓋梁優化方案，為以后預制裝配式下部結構的設計及優化提供了參考。