裝配式大懸臂倒T型預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計(jì)

程 苗

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000)

城市高架橋在保證橋上有足夠的行車道寬度的同時(shí)又需要在橋下預(yù)留更多空間，滿足地面道路的交通需求。在結(jié)構(gòu)形式的選擇中，既要考慮施工期間對(duì)地面交通和周邊環(huán)境的影響，又要考慮施工難度、施工速度和景觀效果等多方面因素。預(yù)制小箱梁+大懸臂倒T型預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁的結(jié)構(gòu)形式能很好地滿足這些需求，往往成為工程設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案。

傳統(tǒng)大懸臂蓋梁一般采用現(xiàn)澆工藝，施工期間需搭設(shè)大量支架，對(duì)地面交通帶來(lái)較大影響。近年來(lái)，隨著國(guó)家大力推行預(yù)制裝配式建筑及建筑工業(yè)化，預(yù)制裝配式大懸臂倒T型預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁在全國(guó)各地城市高架橋建設(shè)項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。蓋梁節(jié)段采用工廠化預(yù)制，結(jié)構(gòu)質(zhì)量有保障，景觀效果較好，現(xiàn)場(chǎng)拼裝期間對(duì)地面交通和周圍環(huán)境影響小，施工速度快，符合安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和美觀的設(shè)計(jì)原則。

1 工程概況

沂河路快速化改造工程作為臨沂市快速內(nèi)環(huán)南線的一部分，是臨沂市“三環(huán)十五射”骨架路網(wǎng)規(guī)劃中的重要一環(huán)，也是溝通高新區(qū)、羅莊區(qū)及經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)等區(qū)域組團(tuán)的重要交通干道。

該工程是在現(xiàn)有沂河路的基礎(chǔ)上，按城市快速路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改造。工程西起G2京滬高速收費(fèi)站，東至溫泉路(規(guī)劃快速內(nèi)環(huán)東線)以東，全長(zhǎng)約20.1 km，主要采用“主線高架+地面輔路”形式。主線高架為雙向6車道，設(shè)計(jì)車速80 km/h，地面快速路設(shè)計(jì)車速80 km/h，地面輔路設(shè)計(jì)車速50～60 km/h，匝道設(shè)計(jì)車速30～40 km/h。

2 裝配式大懸臂倒T型預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計(jì)

主線高架橋25.1 m標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)捫∠淞合虏拷Y(jié)構(gòu)采用直立雙柱+大懸臂倒T型預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁形式。蓋梁全長(zhǎng)24.8 m，懸臂長(zhǎng)約9.25 m。蓋梁中心高度3.6 m，懸臂端高度漸變至約2.98 m，縱橋向頂面寬1.2 m，底面寬2.3～3.2 m。蓋梁分為三段，兩側(cè)為工廠化預(yù)制節(jié)段，中間為現(xiàn)場(chǎng)澆筑濕接段。墩柱采用雙立柱，中心間距4.5 m，立柱尺寸為1.8(2.0)m(順橋向)×1.8 m(橫橋向)，角點(diǎn)處采用=0.15 m的圓倒角。為了不讓橋面排水管外漏影響橋梁美觀，在蓋梁挑臂底面及立柱外側(cè)設(shè)排水管槽。標(biāo)準(zhǔn)橋墩基礎(chǔ)根據(jù)立柱高度分別采用4根直徑1.5 m或1.8 m的鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚度為2.6 m或2.8 m，同時(shí)預(yù)制立柱對(duì)應(yīng)位置處設(shè)0.2 m深的凹槽。

橋墩結(jié)構(gòu)整體效果簡(jiǎn)潔、有序，線條順暢、挺拔，視線較開(kāi)闊，墩柱通過(guò)蓋梁底緣曲線延伸，并與小箱梁外側(cè)弧形挑臂銜接，既顯得造型別致又不失結(jié)構(gòu)的安全感，也與其他現(xiàn)狀高架橋型的流暢線形相協(xié)調(diào)。

蓋梁預(yù)制節(jié)段采用C50混凝土，現(xiàn)澆濕接段采用C55收縮補(bǔ)償混凝土，立柱采用C40混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼束采用符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》(GB/T5224—2014)標(biāo)準(zhǔn)的φ15.2 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，每股公稱截面面積為139 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度=1 860 MPa，彈性模量=1.95×105 MPa。預(yù)應(yīng)力錨具采用優(yōu)質(zhì)的群錨體系，管道采用鍍鋅金屬波紋管，真空輔助壓漿工藝。管道摩擦系數(shù)=0.25，管道每米局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù)=0.0015。

蓋梁共布置10束預(yù)應(yīng)力鋼束，分為N1、N2、N3、N4和N5五種形狀，每種2束。其中N1～N3采用φ15.2-17型鋼束，N4和N5采用φ15.2-15型鋼束，錨下張拉控制應(yīng)力=0.75=1 395 MPa。

蓋梁鋼束張拉應(yīng)分批進(jìn)行，具體張拉批次為：蓋梁拼裝完成、現(xiàn)澆濕接段混凝土達(dá)到預(yù)應(yīng)力張拉要求后張拉N2-1、N4-1、N5-1；小箱梁吊裝完畢、二期鋪裝前張拉N1-2、N3-2。鋼束張拉應(yīng)遵循對(duì)稱、均衡張拉的原則，以蓋梁中心線為基準(zhǔn)，采用由近及遠(yuǎn)的順序張拉。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型建立

采用midas Civil 2020有限元程序建立橋墩蓋梁計(jì)算模型。蓋梁、立柱和承臺(tái)采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

3.2 主要計(jì)算參數(shù)

(1)恒載

一期恒載：預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土容重=26 kN/m；二期恒載：瀝青混凝土容重=24 kN/m；防撞護(hù)欄：15 kN/m/側(cè)，中央防撞護(hù)欄10 kN/m。

(2)汽車荷載

汽車荷載采用城-A級(jí)，并按公路-Ⅰ級(jí)驗(yàn)算。車道荷載折減系數(shù)按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定取值；沖擊系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.2條計(jì)算。

(3)不均勻沉降

由于兩個(gè)立柱在同一個(gè)承臺(tái)上面，故不考慮不均勻沉降影響。

(4)溫度

考慮整體升溫30 ℃，整體降溫30 ℃。

3.3 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算

頻遇組合下蓋梁截面上下緣的最小正應(yīng)力，見(jiàn)圖1。

頻遇組合下蓋梁截面主拉應(yīng)力，見(jiàn)圖2。

圖1 頻遇組合蓋梁截面上下緣正應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖2 頻遇組合蓋梁截面主應(yīng)力圖(單位：MPa)

由圖2可知，在頻遇組合下，蓋梁正截面均為壓應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。同時(shí)，在頻遇組合下，蓋梁斜截面最大主拉應(yīng)力為0.3 MPa<0.5=1.325 MPa，滿足規(guī)范要求。故蓋梁在頻遇組合下的抗裂驗(yàn)算滿足要求。

準(zhǔn)永久組合下蓋梁截面上下緣的最小正應(yīng)力，見(jiàn)圖3。

由圖3可知，在準(zhǔn)永久組合效應(yīng)組合下，蓋梁正截面均為壓應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖3 準(zhǔn)永久組合蓋梁截面上下緣正應(yīng)力圖(應(yīng)力/MPa)

3.4 正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算

標(biāo)準(zhǔn)組合下蓋梁截面上下緣的最大正應(yīng)力，見(jiàn)圖4。

標(biāo)準(zhǔn)組合下蓋梁截面主壓應(yīng)力，見(jiàn)圖5。

由圖5可知，在標(biāo)準(zhǔn)組合下，蓋梁正截面最大壓應(yīng)力11.2 MPa<0.5=0.5×32.4=16.2 MPa，滿足規(guī)范要求；同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下，蓋梁斜截面最大主壓應(yīng)力11.2 MPa<0.6=0.6×32.4=19.44 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.5 承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算

基本組合下蓋梁彎矩及承載力和剪力及承載力包絡(luò)圖，見(jiàn)圖6，圖7。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)組合蓋梁截面上下緣正應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖5 標(biāo)準(zhǔn)組合蓋梁截面主應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖6 基本組合下蓋梁彎矩及承載力包絡(luò)圖(單位：kN·m)

圖7 基本組合下蓋梁剪力及承載力包絡(luò)圖(單位：kN)

由圖6、圖7可知，在基本組合下，蓋梁全截面最大(最小)設(shè)計(jì)彎矩均小于截面極限承載彎矩，滿足規(guī)范要求。按規(guī)范規(guī)定的蓋梁抗剪計(jì)算位置處最大(最小)設(shè)計(jì)剪力小于截面抗剪承載力，滿足規(guī)范要求。另外，截面的抗剪截面尺寸也滿足規(guī)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)預(yù)制裝配式大懸臂倒T型蓋梁具備標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化施工和信息化管理等眾多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為城市高架橋設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案。但由于國(guó)內(nèi)預(yù)制裝配式橋梁起步較晚，相應(yīng)規(guī)范體系還不夠完善，諸如裝配工藝、施工質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)耐久性等課題還需要進(jìn)一步研究。

(2)結(jié)合臨沂市沂河路快速化改造工程采用的預(yù)制裝配式大懸臂倒T型預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，介紹了該類型蓋梁的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，可為同類型蓋梁設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。