現(xiàn)澆連續(xù)箱梁中預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁的受力分析

郝晨琦

（深圳高速工程顧問(wèn)有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近年來(lái)，沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)為了提高運(yùn)輸效率、增大交通疏解能力、減少工程用地，修建了大量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔新穎的高架立交橋，而且隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，會(huì)進(jìn)一步增加交通流量及造成城市工程用地更加緊張，而城市用地的成本高于增加結(jié)構(gòu)物的成本，高架立交橋方案將逐漸成為我國(guó)現(xiàn)代化城市道路工程的重要組成部分。在高架立交橋設(shè)計(jì)中,一方面要滿足通行車(chē)輛對(duì)立交本身的運(yùn)輸效益與城市社會(huì)效益的需求，另一方面也要兼顧立交橋梁下道路的近期及遠(yuǎn)期運(yùn)輸效益。如何更有效地利用高架立交橋橋下空間，在保證橋下縱向通行能力和建筑凈空高度要求的情況下，盡量降低橋面高度，減小引道長(zhǎng)度，適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物造價(jià)將是今后經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)立交橋建設(shè)中必須解決的問(wèn)題。采用隱形蓋梁是一種有效辦法。

1 預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

（1）預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁結(jié)構(gòu)，利用上部結(jié)構(gòu)的原有空間及與上部固結(jié)的一體形式，完成將上部作用利用鉸接結(jié)構(gòu)向下部結(jié)構(gòu)傳遞的部件。隱形蓋梁主要作用在于，如遇到橋下有與橋梁同走向的縱向行車(chē)通道時(shí)，可以提供橫向空間；雖然作為隱形蓋梁融入上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆箱梁的橫梁會(huì)使之較常用下部蓋梁寬度及高度有所增加，但是考慮到現(xiàn)澆箱梁的橫梁的配筋率較大，以及隱形蓋梁采用了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，隱形蓋梁與使用普通下部蓋梁比較，不僅能提供更多豎向空間而且造價(jià)更經(jīng)濟(jì)。將預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁應(yīng)用于橋面寬度較小的現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋時(shí)，還可以增大上部構(gòu)造的抗扭剛度；隱形蓋梁增加預(yù)應(yīng)力后能較大地改善在運(yùn)營(yíng)時(shí)的上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與整體性。

（2）預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁可以減少其周邊的翼緣板邊緣自由度，且隱形蓋梁在運(yùn)營(yíng)期由于剪力滯效應(yīng)，箱梁頂板以及翼緣板與隱形蓋梁在不同工況下可相互分擔(dān)一部分的壓應(yīng)力及剪應(yīng)力作用，使結(jié)構(gòu)承載能力少量增加，但由于影響較小，因此在計(jì)算時(shí)通?？梢院雎浴?/p>

（3）預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁還具有普通預(yù)應(yīng)力蓋梁的普遍優(yōu)點(diǎn)，例如減少下部開(kāi)裂等病害，在抗剪能力基本相同的情況下更節(jié)省普通鋼筋等；將預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁并入上部結(jié)構(gòu)后，還降低了下部結(jié)構(gòu)的施工難度，加快了工期；預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁的使用還會(huì)一定程度上減小更換現(xiàn)澆連續(xù)箱梁支座的難度。

2 工程實(shí)例

2.1 橋梁概況

廣東省深圳市某快速路大橋是主線橋的下行匝道橋，該橋上行縱向跨越一主要通道的輔道，上部為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式雙柱橋墩，摩擦樁基礎(chǔ)。橋梁全長(zhǎng)251.5 m，全橋共三聯(lián)，第一聯(lián)采用（3×25 m）現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁（預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁結(jié)構(gòu)位于該匝道橋第一跨的2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)橋墩處）。橋梁主要尺寸及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：凈寬為8.5 m；公路-Ⅰ級(jí)荷載；現(xiàn)澆梁高為140 cm；瀝青混凝土鋪裝厚為10cm；7度設(shè)防地震烈度；橋墩尺寸為D=100 cm。橋跨布置及隱形蓋梁所處斷面如圖1所示。

2.2 結(jié)構(gòu)總體分析及計(jì)算基礎(chǔ)資料

圖1 大橋第一聯(lián)橋跨布置圖及預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁所處斷面圖(單位:cm)

預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁跟上部梁高同高，并且梁高較小，采用平面桿系有限元分析程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算中分別將現(xiàn)澆箱梁與隱形蓋梁進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)現(xiàn)澆箱梁的計(jì)算分析確定極限狀態(tài)下隱形蓋梁所受到的荷載作用，以集中力加均布作用，模擬現(xiàn)澆箱梁傳遞的荷載作用及隱形蓋梁本身直接承受的恒載與活載。由于蓋梁下采用盆式支座，所以隱形蓋梁邊界條件為簡(jiǎn)支約束。在對(duì)隱形蓋梁的單獨(dú)計(jì)算中不考慮現(xiàn)澆箱梁的剛度影響。隱形蓋梁結(jié)構(gòu)離散圖如圖2所示。

圖2 隱形蓋梁結(jié)構(gòu)離散圖

具體的結(jié)構(gòu)尺寸擬訂及參數(shù)的選取，其內(nèi)容敘述如下。

2.2.1 材料選用

現(xiàn)澆箱梁、隱形蓋梁：C50混凝土；

鋼筋：R235、HRB335鋼筋；

預(yù)應(yīng)力鋼絞線：270級(jí)高強(qiáng)低松弛剛絞線，fpk＝1 860MPa。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)取值

（1）恒載自重按26 kN/m3計(jì)算。

（2）橋面鋪裝和防撞墻按40 kN/m計(jì)算。

（3）鋼束參數(shù)及數(shù)量取值：

張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fpk=1 395 MPa；

松馳系數(shù)取0.3，孔道摩阻0.25，孔道偏差0.001 5，錨具變形0.006；

鋼絞線數(shù)量：（m束×n股）：

腹板N1、N2、N3：4×10；

頂板T1、T2：2×5。

（4）活載標(biāo)準(zhǔn)及沖擊系數(shù)μ：

汽車(chē)橫向分布系數(shù)： 2車(chē)道m(xù)=2；

沖擊系數(shù)按規(guī)范計(jì)算得μ＝0.293。

（5）支座沉陷：

不考慮沉降。

（6）溫度作用：

溫度作用參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）（以下簡(jiǎn)稱《鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)范》）執(zhí)行，在此選用T1和T2分別為14℃和5.5℃的溫度基數(shù)。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析結(jié)論

2.3.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

2.3.1.1 彎矩分析及縱向普通鋼筋驗(yàn)算

根據(jù)《鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)范》第5.2.7條規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算，并得出結(jié)論：

承載能力極限狀態(tài)使用階段組合2橋面系單元彎矩（最大值）驗(yàn)算，梁底面最大強(qiáng)度12 706.69 kN·m，最大效應(yīng)6 692.0 kN·m（如圖3所示）。

圖3 承載能力極限狀態(tài)使用階段組合2橋面系單元彎矩圖（最大值）

承載能力極限狀態(tài)使用階段組合3橋面系單元彎矩（最小值）驗(yàn)算，梁頂面最大強(qiáng)度12 706.69 kN·m，最大效應(yīng)6 692.0 kN·m（如圖4所示）。

圖4 承載能力極限狀態(tài)使用階段組合3橋面系單元彎矩圖（最小值）

強(qiáng)度驗(yàn)算通過(guò)。

2.3.1.2 剪力分析及箍筋驗(yàn)算（見(jiàn)圖5）

圖5 承載能力極限狀態(tài)使用階段組合2橋面系單元剪力圖

根據(jù)《鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)范》第5.2.7條規(guī)定，由于該橋采用預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁，在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮利用預(yù)應(yīng)力鋼束彎起，保證剪力承載能力，故而節(jié)省了彎起鋼筋的配置（Vsb=0），按照承載能力極限狀態(tài)使用階段組合2計(jì)算結(jié)論如下：

以梁端1/4L處截面進(jìn)行驗(yàn)算：

該截面剪力小于承載力，滿足規(guī)范要求。

2.3.1.3 正截面抗拉承載力分析─正常使用長(zhǎng)期效應(yīng)計(jì)算結(jié)果（最不利組合2）

根據(jù)《鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)范》第5.4.2條及相關(guān)規(guī)定，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。在正常使用長(zhǎng)期效應(yīng)的最不利組合下，主梁均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖6 正常使用階段組合2單元正應(yīng)力圖（最小值）

2.3.1.4 持久狀況受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力驗(yàn)算

如圖7所示，根據(jù)圖7中利用計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的應(yīng)力圖可知，主梁的最大壓應(yīng)力為 σkc+σpt=11.44 MPa，根據(jù)《鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)范》中第6.3.1條對(duì)A類(lèi)構(gòu)件的要求，即壓應(yīng)力（C50混凝土），滿足規(guī)范要求。

圖7 使用階段組合 2橋面系單元正應(yīng)力圖（最大值）

2.3.1.5 持久狀況受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力筋最大拉應(yīng)力驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉應(yīng)力在組合2時(shí)最大，其值為1 205.4 MPa，規(guī)范對(duì)A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件σpe+σp≤0.65fpk=1 209（MPa）（fpk=1 860MPa）的規(guī)定，滿足要求。

2.3.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

2.3.2.1 正截面抗裂分析及驗(yàn)算─正常使用短期效應(yīng)計(jì)算結(jié)果（最不利組合3）

根據(jù)《鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)范》第6.3.1條及相關(guān)規(guī)定，計(jì)算結(jié)果如圖8所示，根據(jù)其中正常使用的最不利組合應(yīng)力數(shù)值可知，主梁在正常使用短期效應(yīng)下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖8 正常使用階段組合3單元正應(yīng)力圖（最小值）

2.3.2.2 斜截面抗裂驗(yàn)算─主拉應(yīng)力σtp驗(yàn)算

根據(jù)《鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)范》第6.3.1條的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算結(jié)果如圖9所示，主梁在短期效應(yīng)組合下的會(huì)在墩頂產(chǎn)生最小主拉應(yīng)力：σtp=0.55 Mpa，根據(jù)上述規(guī)范要求，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)澆筑A類(lèi)構(gòu)件拉應(yīng)力小于等于0.5ftk=1.325 MPa（C50混凝土），滿足規(guī)范要求。

圖9 正常使用極限狀態(tài)橋面系單元主拉應(yīng)力圖（組合2最小值）

2.3.3 計(jì)算分析結(jié)論

根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果及分析,可得到如下結(jié)論：（1）預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力影響較??；（2）當(dāng)上部因?yàn)檫\(yùn)用本結(jié)構(gòu)而增加了橫向預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)，可有效地增大上部的整體性；（3）在墩頂存在較大的拉應(yīng)力，需控制預(yù)應(yīng)力彎起形態(tài)，以及使用較高標(biāo)號(hào)的混凝土以保證墩頂截面滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)廣東省深圳市某快速路某立交一座匝道橋中預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁的討論分析，得到一些針對(duì)能保證橋下縱向通行能力和建筑高度的預(yù)應(yīng)力隱形蓋梁設(shè)計(jì)有用的分析方法和結(jié)論，有利于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)現(xiàn)代化城市中的立交橋設(shè)計(jì)。同時(shí)為減少橋梁病害、降低養(yǎng)護(hù)難度和造價(jià)等提供了新的思路。

[1]范立礎(chǔ)，徐光輝.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]賀拴海.橋梁結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算方法[M].北京：人民交通出版社，2003.