大跨預(yù)應(yīng)力門架墩設(shè)計(jì)與計(jì)算

祁巍，聶擁軍

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518029）

1 概述

近年來(lái)隨著城市高架橋的大量建設(shè)和公路路網(wǎng)的密集，相交道路在平面上發(fā)生沖突的問(wèn)題也就隨之增多。為了不影響下方道路的使用，通?？刹捎玫拇胧┯校翰捎么罂鐝綐蛄阂豢缈缭?；利用下方道路的分隔帶設(shè)置獨(dú)柱或偏心橋墩；采用門架墩通過(guò)設(shè)置剛性橫梁將墩柱放在路幅以外。

門架墩的方案在經(jīng)濟(jì)上和工期上有一定優(yōu)勢(shì)，上部結(jié)構(gòu)選擇預(yù)制小箱梁或空心板結(jié)構(gòu)，采用吊機(jī)或架橋機(jī)架梁，施工工期短，對(duì)既有運(yùn)營(yíng)線路影響小，因此得以廣泛使用。

門架墩柱間距（20 m左右）很大時(shí)，稱為大跨度門架墩，蓋梁需采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。待混凝土立柱施工完成后，在不中斷下穿道路交通的情況下，搭設(shè)支架澆筑蓋梁混凝土，張拉蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束，架設(shè)預(yù)制上部結(jié)構(gòu)小箱梁，鋪筑橋面鋪裝和澆注防撞墻[1][2]。

2 工程背景

謝常公路跨線橋是東莞市鎮(zhèn)際聯(lián)網(wǎng)路29號(hào)路工程中的一座大橋，橋梁全長(zhǎng)680.56 m，上部結(jié)構(gòu)為4×30 m+3×35 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，全橋共6聯(lián)。由于橋下位置是AB匝道，道路中間無(wú)立墩位置，因此需要設(shè)置大跨預(yù)應(yīng)力門架墩，將墩立在匝道外側(cè)。

6#橋墩位于全橋第二聯(lián)，A匝道和B匝道從蓋梁中間下穿，因此蓋梁采用雙墩柱大跨度預(yù)應(yīng)力門架墩蓋梁，上接8片預(yù)制吊裝小箱梁，下接矩形墩、承臺(tái)和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)（見(jiàn)圖1）。

圖1 6#橋墩橫斷面圖

3 大跨度預(yù)應(yīng)力門架墩設(shè)計(jì)

3.1 蓋梁構(gòu)造尺寸

上部結(jié)構(gòu)橫斷面確定后，蓋梁擋塊與箱梁腹板之間考慮5 cm間隙，確定蓋梁總長(zhǎng)為24.6 m?？紤]預(yù)應(yīng)力蓋梁地面車輛通行凈空、凈寬，高架橋路線單向橫坡，采用門架墩方案，跨中正彎矩控制設(shè)計(jì)方案，通過(guò)初步試算確定蓋梁高度為2.4 m，兩墩柱中心間距為22.5 m，蓋梁中心到端部采用等高度。通過(guò)初步分析，蓋梁與雙墩柱固結(jié)體系為超靜定結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力損失較大，墩梁固結(jié)處彎矩較大，對(duì)墩柱受力不利，因此改用一個(gè)墩梁固結(jié)，一個(gè)墩頂放置單向盆式支座方案。

上述蓋梁尺寸滿足橋下凈空、凈寬要求，受力滿足抗剪、抗彎要求。綜合結(jié)構(gòu)受力、施工、鋼筋布置構(gòu)造等要求，考慮到城市景觀效果，蓋梁順橋向?qū)挒?.2 m。

預(yù)應(yīng)力蓋梁一般構(gòu)造尺寸如圖2所示。

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

圖2 預(yù)應(yīng)力蓋梁構(gòu)造圖

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁采用A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，混凝土等級(jí)為C50。蓋梁共布置17根預(yù)應(yīng)力鋼束，采用15.24低松弛高強(qiáng)鋼絞線，錨下張拉控制應(yīng)力為1 339.2 MPa，兩端張拉。

3.3 預(yù)應(yīng)力蓋梁施工工序

預(yù)應(yīng)力蓋梁施工步驟如下：

（1）搭設(shè)支架、立模澆注蓋梁C50混凝土。

（2）待混凝土強(qiáng)度達(dá)95%且齡期不小于7 d，對(duì)稱張拉N1、N3、N5鋼束，預(yù)應(yīng)力管道壓漿。

（3）待壓漿強(qiáng)度達(dá)100%，折除蓋梁模板和腳手架。架設(shè)前后跨小箱梁，小箱梁需從墩柱中心向兩側(cè)對(duì)稱吊裝。

（4）待蓋梁兩側(cè)小箱梁吊裝完畢，對(duì)稱張拉N2、N4鋼束，壓漿并封錨。

（5）待壓漿強(qiáng)度達(dá)100%，澆注接縫，施工現(xiàn)澆層、橋面鋪裝及防撞護(hù)欄等。

（6）成橋、運(yùn)營(yíng)。

表1為鋼束參數(shù)表；圖3為鋼束布置圖。

表1 鋼束參數(shù)表

圖3 鋼束布置圖

4 結(jié)構(gòu)建模及計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)蓋梁的幾何尺寸及其以彎矩、剪力、軸力（預(yù)應(yīng)力引起）為主的受力特點(diǎn)，采用 MIDAS軟件梁?jiǎn)卧＿M(jìn)行計(jì)算分析。

（1）由于墩柱底接承臺(tái)，承臺(tái)下群樁基礎(chǔ)，故模型按實(shí)際墩柱高度建模，墩底固結(jié)。

（2）由于蓋梁處上部結(jié)構(gòu)為端橫梁，故橋面單元高度按端橫梁實(shí)際高度取值，彈性模量按C50取值，重力取0。

（3）橫橋向橋面單元按實(shí)際車行道寬度建模，橋面單位與蓋梁?jiǎn)卧g采用彈性連接模擬板式橡膠支座，豎向剛度取1e7 kN·m，橫向和縱向剛度取 100 kN·m。

（4）小箱梁自重、二期恒載等根據(jù)施工順序，按實(shí)際位置施加。

（5）溫度荷載考慮整體升降溫，不考慮溫度梯度的影響。

（6）采用 MIDAS橫向移動(dòng)荷載進(jìn)行橫向加載計(jì)算。橫向車輪荷載=沖擊系數(shù)×[（左側(cè)橋孔長(zhǎng)度×均布荷載+右側(cè)橋孔長(zhǎng)度×均布荷載）/2+集中荷載（以左、右側(cè)較大跨徑計(jì)）×1.2（剪力效應(yīng)，算承載力時(shí)考慮，算裂縫時(shí)不考慮）]。

圖4、圖5為其結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（一）

圖5 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（二）

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算（見(jiàn)圖6）

圖6 正截面抗彎強(qiáng)度云圖

5.2 斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算（見(jiàn)圖7）

圖7 斜截面抗剪強(qiáng)度云圖

5.3 施工階段混凝土應(yīng)力（見(jiàn)表2）

表2 施工階段混凝土應(yīng)力一覽表（單位：MPa，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）

按照新《公橋規(guī)》第7.2.8條規(guī)定，在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：壓應(yīng)力σcct≤0.70 fck’，拉應(yīng)力σctt≤0.70 ftk’。該橋施工時(shí)混凝土強(qiáng)度已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度95%，故壓應(yīng)力允許值0.70 fck’＝0.70×0.95×32.4＝-20.55（MPa），拉應(yīng)力允許值0.70 ftk’＝0.70×0.95×2.65＝（1.76）MPa。由表2可見(jiàn)，施工階段混凝土應(yīng)力滿足要求[3][4][5]。

5.4 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算

5.4.1 短期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算（見(jiàn)表3）。

表3 短期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算表（單位：MPa，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）

由表3可見(jiàn)，該橋在短期效應(yīng)組合下的抗裂驗(yàn)算滿足要求[3][4][5]。

5.4.2 長(zhǎng)期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算（見(jiàn)圖8、圖9）

圖8 長(zhǎng)期效應(yīng)組合正應(yīng)力圖（上緣）（單位：MPa，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）

圖9 長(zhǎng)期效應(yīng)組合正應(yīng)力圖（下緣）（單位：MPa，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）

由圖8、圖9可見(jiàn)，該橋在長(zhǎng)期效應(yīng)組合下截面正應(yīng)力未出現(xiàn)正值，抗裂驗(yàn)算滿足要求[3][4][5]。

5.5 持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算（見(jiàn)表4、表5）

表4 持久狀況混凝土應(yīng)力驗(yàn)算表（單位：MPa，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）

表5 持久狀況預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力驗(yàn)算表（單位：MPa，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）

由表4可見(jiàn)，該橋在持久狀況下混凝土的應(yīng)力滿足要求[3][4][5]。

由表5可見(jiàn)，該橋在持久狀況下預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力滿足要求[3][4][5]。

5.6 正常使用極限狀態(tài)撓度計(jì)算

在荷載短期效應(yīng)組合下跨中最大撓度為17.3 mm。

按照新《公橋規(guī)》第6.5.3條規(guī)定，受彎構(gòu)件在使用階段的撓度應(yīng)考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)的影響。

該橋采用C50混凝土，其撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)ηθ＝1.425，結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的撓度為12.3 cm，則消除結(jié)構(gòu)自重后產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度為：1.425×(17.3-12.3)=7.1（mm）<22 500/600=37.5（mm），主梁的最大撓度不應(yīng)超過(guò)計(jì)算跨徑的1/600，滿足規(guī)范要求[3-5]。

6 結(jié)論

通過(guò)以上分析論證，預(yù)應(yīng)力蓋梁在極限承載能力、正常使用極限狀態(tài)下，均能滿足規(guī)范及實(shí)際運(yùn)營(yíng)要求。

在設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，需嚴(yán)格按照計(jì)算模型中的施工步驟，預(yù)應(yīng)力張拉順序、混凝土齡期要求等進(jìn)行，使計(jì)算模擬與實(shí)際施工更貼近一致，從而保證蓋梁建成后的實(shí)際受力及運(yùn)營(yíng)更安全、更耐久。

[1]陳明清.大跨度門架墩設(shè)計(jì)探討[J].城市道橋與防洪，2009，（8）.

[2]萬(wàn)志勇，蘭南.框架墩的計(jì)算與應(yīng)用[J].城市道橋與防洪，2006，（1）.

[3]TG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[4]JTGD62-2004，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].

[5]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].