公路橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計(jì)

山東通達(dá)路橋規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 264003

摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路橋梁得跨徑原來(lái)越大，橋面也越來(lái)越寬，有關(guān)規(guī)范規(guī)定八車道的高速公路一般路基寬度為45m，傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土蓋梁已不能滿足較寬橋梁的建設(shè)需要。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；蓋梁；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

在常規(guī)的公路橋梁設(shè)計(jì)中，橋面寬度一般都不太寬，單幅的寬度大多不超過(guò)13 m，而橋墩蓋梁墩柱的跨徑一般小于10 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有成本較低、施工方便的優(yōu)點(diǎn)，因此大部分橋梁的橋墩蓋梁均采用此類結(jié)構(gòu)。然而，在某些特殊的環(huán)境中，由于線位與現(xiàn)有地物相互干擾，而拆遷又不可行或拆遷代價(jià)較大時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁就成為了一種較佳的選擇。本文將結(jié)合工程實(shí)例，就預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要的探討和分析。

一、設(shè)計(jì)和施工背景

在高速公路建設(shè)過(guò)程中往往會(huì)遇到大河、水渠或與其他橋梁斜交等等，這些特殊的路段因?yàn)楣て谛枰坏帽茏寱r(shí)，我們就會(huì)選擇加大跨度。因此普通鋼筋混凝土蓋梁一般不易滿足要求，須采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。例圖一為某地橋梁的設(shè)計(jì)圖，此橋墩按全幅雙柱設(shè)計(jì)，以減少墩柱數(shù)量。墩蓋梁全寬為23.3m，跨徑（柱間距）為13.5m（詳見(jiàn)圖一）。

圖一 蓋梁總體尺寸

二、蓋梁受力特點(diǎn)

蓋梁是一個(gè)承上啟下的重要構(gòu)件，他起著將上部結(jié)構(gòu)恒載和活載傳遞給墩柱和基礎(chǔ)，因此蓋梁設(shè)計(jì)是下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵的部分。蓋梁受到彎、剪、扭三種內(nèi)力作用，其中在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)力相比豎向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力較小，同時(shí)也不屬于永久荷載，所以一般不作為設(shè)計(jì)計(jì)算的一部分，而是通過(guò)適當(dāng)加強(qiáng)抗剪鋼筋的辦法來(lái)抵抗扭轉(zhuǎn)內(nèi)力的影響，所以蓋梁是一種典型的以彎剪受力為主構(gòu)件。與外加荷載相比，蓋梁自身產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力很小，蓋梁上絕大部分的力來(lái)自于上部結(jié)構(gòu)恒載和活載經(jīng)支座傳遞的集中力。

三、預(yù)應(yīng)力蓋梁計(jì)算要點(diǎn)

為了加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，縮短設(shè)計(jì)周期，預(yù)應(yīng)力蓋梁等橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算一般均實(shí)現(xiàn)了借助計(jì)算機(jī)按有限元方法計(jì)算。預(yù)應(yīng)力蓋梁計(jì)算前面臨著以下三個(gè)問(wèn)題：

1.單元的簡(jiǎn)化預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁?jiǎn)卧推渌A(yù)應(yīng)力連續(xù)梁?jiǎn)卧粯?，?jiǎn)化成平面桿系單元運(yùn)用結(jié)構(gòu)計(jì)算程序（如“橋梁博士”）進(jìn)行計(jì)算，這樣不但計(jì)算簡(jiǎn)單，而且總體計(jì)算結(jié)果能夠滿足設(shè)計(jì)要求，至于局部區(qū)域（如支座墊石附近、蓋梁和墩柱結(jié)合部位）的應(yīng)力集中，可用加強(qiáng)構(gòu)造鋼筋的辦法來(lái)抵抗。沒(méi)必要將單元模擬成實(shí)體單元，雖然計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，但計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。經(jīng)實(shí)踐證明預(yù)應(yīng)力蓋梁用平面桿系單元模擬能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.荷載的簡(jiǎn)化

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁主要受到本身自重以及上部結(jié)構(gòu)梁體、橋面鋪裝、防撞護(hù)欄（或欄桿）等自重和活載經(jīng)支座傳遞過(guò)來(lái)的集中力，其中蓋梁自重計(jì)算程序自身會(huì)考慮，上部結(jié)構(gòu)梁體、橋面鋪裝、防撞護(hù)欄（或欄桿）等自重一般比較明確并易于計(jì)算，在計(jì)算程序中只要作為集中力加載上去即可，反而是活載比較復(fù)雜，需對(duì)它進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

蓋梁活載為汽車荷載和掛車荷載通過(guò)梁體和支座傳遞，作為集中力作用在蓋梁上。要準(zhǔn)確計(jì)算蓋梁內(nèi)力最不利情況下活載引起的各支座反力，大致分以下五個(gè)步驟：

① 首先求出T 梁縱橋向支座反力影響線；

② 根據(jù)T 梁縱橋向支座反力影響線布置活載，求出最大支反力；

③ 同一片T 梁的剪力橫向分布系數(shù)沿梁長(zhǎng)并非常數(shù)，而且在支點(diǎn)和跨中處的計(jì)算方法一般也不相同，這一點(diǎn)與計(jì)算彎矩的荷載橫向分布系數(shù)是有區(qū)別的[如圖1]；

圖1

a）T 梁支座反力影響線；b）車隊(duì)縱橋向布置；c）第j號(hào)T 梁剪力橫向分布系數(shù)圖

④ 對(duì)于蓋梁某種特定情況的最不利內(nèi)力，在求解各T 梁的剪力橫向分布系數(shù)時(shí)車輪橫橋向位置是固定不變的，這與求解各T 梁的最大剪力橫向分布系數(shù)不同，后者每片T 梁都對(duì)應(yīng)不同的車輪橫向布置[圖2]

圖2 不同位置最不利內(nèi)力對(duì)應(yīng)的車輪橫橋向布里

a）墩頂負(fù)彎矩最大時(shí)的車輪布置；b）跨中正彎矩最大時(shí)的車輪布里

⑤ 根據(jù)求得的橫向分布系數(shù)和最大支反力求得活載經(jīng)梁體傳遞作用在蓋梁的各集中力。

雖然上述理論分析并不困難，但是實(shí)際操作起來(lái)非常繁瑣，不利于計(jì)算。鑒于此，將預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁?jiǎn)卧僭O(shè)成橋面單元，讓活載

車輛直接在蓋梁上橫向布置，求得蓋梁最不利內(nèi)力。雖然這種簡(jiǎn)化使得計(jì)算結(jié)果內(nèi)力有所偏差，但是活載所占內(nèi)力比例不太大（約30%），所以簡(jiǎn)化說(shuō)產(chǎn)生的偏差也不會(huì)太大，尤其對(duì)于上部結(jié)構(gòu)為空心板的橋梁，由于支座橫向間距較小，這種簡(jiǎn)化產(chǎn)生的偏差就更小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.邊界條件的簡(jiǎn)化

在預(yù)應(yīng)力蓋梁計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)邊界條件采用不同的模擬形式，對(duì)墩柱頂負(fù)彎矩的影響較大，因此蓋梁和墩柱聯(lián)結(jié)的合理簡(jiǎn)化，對(duì)計(jì)算至關(guān)重要。在對(duì)邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化分析前，首先對(duì)墩柱頂?shù)氖芰M(jìn)行分析。蓋梁和墩柱的聯(lián)結(jié)實(shí)際上是具有一定長(zhǎng)度的固結(jié)，由此，墩柱頂負(fù)彎矩最不利截面并不是出現(xiàn)在墩柱中心處，而是出現(xiàn)在接近墩柱邊緣線的截面。

在實(shí)際計(jì)算中，我們往往將蓋梁和墩柱的聯(lián)結(jié)簡(jiǎn)化成三種情況：經(jīng)計(jì)算比較，三種簡(jiǎn)化方法中，簡(jiǎn)化方法①，支點(diǎn)控制截面負(fù)彎矩最大，和實(shí)際有點(diǎn)差異，需作適當(dāng)?shù)摹跋鞣濉碧幚恚缓?jiǎn)化方法②支點(diǎn)控制截面負(fù)彎矩較方法①小很多，但是負(fù)彎矩值與所模擬的兩點(diǎn)鉸支座的距離密切相關(guān)，而兩點(diǎn)鉸支座距離的確定目前還缺少足夠的依據(jù)，本次比較計(jì)算簡(jiǎn)單采用墩柱的邊緣作為鉸支座的位置，偏不安全；簡(jiǎn)化方法③，支點(diǎn)控制截面負(fù)彎矩和簡(jiǎn)化方法①比較，如果是獨(dú)柱墩相差甚微，如果是門墩，外側(cè)截面和簡(jiǎn)化方法①相近，內(nèi)側(cè)截面和簡(jiǎn)化②相近。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用簡(jiǎn)化方法①和簡(jiǎn)化方法③均可以。

四、計(jì)算方法

施加在蓋梁上的恒載及活載值可采用上部縱梁的支座反力值，該反力值可從主梁的縱向計(jì)算結(jié)果中獲取，也可根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[1]中規(guī)定的加載方向?qū)τ绊懢€手工加載。橋上部采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中，上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了體系轉(zhuǎn)換：架設(shè)裝配式預(yù)制小箱梁→張拉小箱梁負(fù)彎矩鋼束，完成體系轉(zhuǎn)換→施加防撞護(hù)欄、鋪裝等二期恒載。小箱梁轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)結(jié)構(gòu)后，橋墩蓋梁處的恒載支座反力會(huì)增大，因此其值最好從縱梁的計(jì)算結(jié)果中獲取。由于預(yù)制小箱梁一般采用架橋機(jī)架設(shè)，因此施工階段還應(yīng)考慮架橋機(jī)對(duì)蓋梁施工的影響。

汽車活載布置可以在平面桿系程序里用自定義車輛的方法自動(dòng)完成。一般來(lái)說(shuō)，在建模過(guò)程中，活載支反力計(jì)算方法可分成以下兩種：其一是將蓋梁及墩柱建模，考慮車輪在橋梁橫向可能的行車位置，直接將汽車活載作用于蓋梁頂面；其二是在蓋梁及墩柱建模的同時(shí)，建立一道虛擬梁，與蓋梁通過(guò)主從約束連接來(lái)實(shí)現(xiàn)反力的傳遞，活載作用于虛擬梁上。

通過(guò)計(jì)算比較兩種方法，計(jì)算結(jié)果基本一致。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，施工中大多數(shù)程采用第一種方法對(duì)預(yù)應(yīng)力蓋梁進(jìn)行計(jì)算。

五、工程實(shí)例

此處以保山一龍陵高速公路門架墩預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁（適用于4D mT 形梁橋）為工程實(shí)例，蓋梁設(shè)計(jì)和計(jì)算共分如下五步：

（l）擬定蓋梁的結(jié)構(gòu)尺寸，建立計(jì)算模型實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖3，計(jì)算模型如圖4 C。

（2）對(duì)計(jì)算模型劃分施工步驟

a.澆筑蓋梁，養(yǎng)護(hù)，拆除模板；

b.張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束；

c.吊裝第一組T 梁，安裝在蓋梁的懸臂部分；

d.吊裝第二組T 梁，安裝在蓋梁的跨中部分；

e.張拉第二批預(yù)應(yīng)力鋼束；

f.施工橋面鋪裝及防撞護(hù)墻等二期恒載；

g.施加汽車活載。

（3）布置預(yù)應(yīng)力鋼束（如圖5）

圖5 蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置

（4）查看各階段應(yīng)力圖，調(diào)整預(yù)應(yīng)力至滿足設(shè)計(jì)要求這里必須強(qiáng)調(diào)，查看應(yīng)力圖時(shí)一定要逐個(gè)施工階段進(jìn)行檢查，不能只查看營(yíng)運(yùn)階段。因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的施工階段（尤其是施加預(yù)應(yīng)力的階段）有時(shí)也是控制設(shè)計(jì)的，必須逐個(gè)檢查，決不能忽視。

（5）結(jié)果分析圖6 a）為蓋梁在張拉第一批預(yù)應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力。此時(shí)蓋梁最大壓應(yīng)力3.3MPa、，最大拉應(yīng)力0.8 MPa，滿足施工階段設(shè)計(jì)要求。

圖6 部分重要階段蓋梁應(yīng)力圖

圖6b）為蓋梁在竣工階段應(yīng)力?？⒐r(shí)蓋梁上下緣應(yīng)力較均勻，最大壓應(yīng)力6.8MPa，最小壓力儲(chǔ)備1.2MPa，無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)，滿足施工階段設(shè)計(jì)要求。

圖6 c）為蓋梁在營(yíng)運(yùn)階段的應(yīng)力。營(yíng)運(yùn)時(shí)蓋梁最大壓應(yīng)力8.7MPa，最大拉應(yīng)力2.6 MPa，且拉應(yīng)力僅在墩頂左截面處出現(xiàn)，其余處均為壓應(yīng)力。由于墩頂左截面處控制標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)放寬，因此可以認(rèn)為本設(shè)計(jì)滿足營(yíng)運(yùn)要求。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一系列的工程實(shí)例表明預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁具有預(yù)應(yīng)力構(gòu)件節(jié)約鋼材和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，而且結(jié)構(gòu)輕巧美觀，故大跨徑預(yù)應(yīng)力蓋梁將成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] JTG D62-2004，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[S].

[2] 袁倫一.橋面連續(xù)簡(jiǎn)支梁橋墩臺(tái)計(jì)算實(shí)例[M].人民交通出版社.