公路橋梁蓋梁設(shè)計(jì)探討

檀維超

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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公路橋梁蓋梁設(shè)計(jì)探討

檀維超

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

The Discussion of Highway Bridge Cap BeamDesign

TAN Weichao

摘要蓋梁是橋梁重要構(gòu)件，主要有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、普通鋼筋混凝土兩種結(jié)構(gòu)形式。以官廳水庫特大橋26號、29號橋墩為例，簡述兩種結(jié)構(gòu)形式蓋梁的設(shè)計(jì)方法，對比分析兩種蓋梁的受力特點(diǎn)以及各自在工程應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，為橋墩蓋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞蓋梁；預(yù)應(yīng)力混凝土普通鋼筋混凝土設(shè)計(jì)

隨著公路建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁跨度不斷增加，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁以其良好的結(jié)構(gòu)受力性能和抗開裂性能，在橋梁蓋梁設(shè)計(jì)中得到廣泛采用。結(jié)合工程實(shí)例，就預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁及普通鋼筋混凝土蓋梁的設(shè)計(jì)過程、受力特點(diǎn)及應(yīng)用范圍作簡要探討。

1蓋梁簡介

蓋梁是為支承、分布和傳遞上部結(jié)構(gòu)的荷載，在排架樁墩頂部設(shè)置的橫梁，又稱帽梁。在橋墩或排樁上設(shè)置鋼筋混凝土或少筋混凝土的橫梁，主要作用是支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)，并將全部荷載傳到下部結(jié)構(gòu)，主要有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁及普通鋼筋混凝土蓋梁兩種形式。

2官廳水庫特大橋引橋蓋梁設(shè)計(jì)

2.1官廳水庫特大橋工程概況

(1)工程概況

官廳水庫特大橋全橋長1 988 m，為城市主干路，設(shè)計(jì)速度60 km/h，雙向四車道，兩側(cè)考慮非機(jī)動車道、人行道。本橋包括主橋和南北引橋兩部分，其中主橋?yàn)橹骺?20 m的鋼-混組合梁單跨懸索橋，引橋整幅布置，橫向布置10片小箱梁，采用樁基礎(chǔ)，全橋立面布置見圖1。

圖1　全橋立面布置(單位：cm)

(2)引橋概況

圖2　引橋橫斷面布置(單位：cm)

引橋橫向?yàn)檎贾?，防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)寬度24 m，橋面寬度30.5 m。路幅布置為：2.75 m(人行道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)+3.0 m(非機(jī)動車道)+0.5 m(機(jī)非分隔帶)+0.5 m(路緣帶)+7.25 m(行車道)+0.5 m(路緣帶)+0.5 m(中間分隔帶)+0.5 m(路緣帶)+7.25 m(行車道)+0.5 m(路緣帶)+0.5 m(機(jī)非分隔帶)+3.0 m(非機(jī)動車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)+2.75 m(人行道)=30.5 m。引橋橫斷面布置見圖2。引橋橋墩蓋梁一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橋墩為雙墩柱，14、29號墩因設(shè)置在主纜錨定基礎(chǔ)上，蓋梁橫向長度受錨體空間結(jié)構(gòu)尺寸限制，無法滿足預(yù)應(yīng)力張拉空間要求，故采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋墩為四墩柱設(shè)計(jì)。以26號橋墩(預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁)、29號橋墩(普通鋼筋混凝土蓋梁)為代表，簡述預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁、普通鋼筋混凝土蓋梁不同設(shè)計(jì)過程，以及在相同荷載下，兩種結(jié)構(gòu)類型的受力特點(diǎn)。

2.2預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計(jì)

(1)蓋梁構(gòu)造及預(yù)應(yīng)力鋼束布設(shè)

蓋梁長度29.1 m，寬度2.4 m，跨中高度2.5 m，梁端高度1.5 m，墩柱外側(cè)為變高度截面。布設(shè)9束13-7φ5標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa的高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線，采用C50混凝土。蓋梁構(gòu)造及鋼束布置見圖3。

圖3　預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁構(gòu)造(單位：mm)

(2)恒載加載

小箱梁自重及二期橫載分別以集中力形式作用在上，每片小箱梁自重1 210 kN、二期恒載600 kN，于支座中心位置處加載到橫梁頂，恒載作用示意見圖4。

圖4　恒載作用示意

(3)活載加載

加載橫向移動荷載，定義蓋梁為橫向移動荷載作用車道，車輛荷載采用公路—Ⅰ級，車輪荷載按照計(jì)算跨度30 m、均布荷載10.5 kN/m、集中荷載320 kN并乘以1.2系數(shù)，2P=699 kN，取車輪荷載P=350 kN。

(4)鋼束張拉

9束預(yù)應(yīng)力鋼筋采用上5下4交錯布置，鋼束張拉順序：張拉第一批5束鋼束，架梁，張拉第二批4束鋼束。鋼束張拉時(shí)應(yīng)左右對稱張拉。

(5)定義施工階段

混凝土澆筑7 d、張拉第一批鋼束3 d、架梁1 d、張拉第二批鋼束3 d、加載二期恒載10 d、收縮徐變5 000 d。

(6)計(jì)算結(jié)果

選取基本組合：1.4×汽車荷載+1.2×恒載+1.2×預(yù)加應(yīng)力+1.2×收縮徐變，在基本組合作用下，蓋梁彎矩、剪力包絡(luò)見圖5。

圖5　預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁彎矩、剪力包絡(luò)

由圖4、圖5可見：最大彎矩及剪力均出現(xiàn)在墩柱支撐處：彎矩33 293 kN·m，剪力10 022 kN。

圖6　預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁抗彎、抗剪能力驗(yàn)算

正截面抗彎、斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果見圖6。按照《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)第5.1.5條驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)×作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)最大值均小于等于構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求。

2.3普通混凝土蓋梁設(shè)計(jì)

圖8　普通鋼筋混凝土蓋梁彎矩、剪力包絡(luò)圖

(1)蓋梁構(gòu)造

蓋梁長度28.9 m，寬度2.4 m，跨中高度1.8 m，梁端高度1.0 m，墩柱外側(cè)為變高度截面。4墩柱等間距6.1 m布設(shè)，矩形墩柱截面尺寸1.6 m×1.6 m，墩柱外蓋梁懸臂長度2.1 m。蓋梁構(gòu)造見圖7。

圖7　普通鋼筋混凝土蓋梁構(gòu)造(單位：m)

(2)橫斷面設(shè)計(jì)

普通鋼筋混凝土蓋梁采用“橋梁通”建模設(shè)計(jì)，根據(jù)“引橋橫斷面”布置梁部恒載及活載，左/右側(cè)護(hù)欄寬0.25 m、左/右側(cè)人行道寬2.5 m，左/右側(cè)隔離柵寬0.5 m、橋面凈寬24 m，小箱梁自重及二橫在支座處以集中力形式加載，活載采用雙向行駛4機(jī)動車道+兩側(cè)各一非機(jī)動車車道設(shè)計(jì)。

(3)計(jì)算結(jié)果

彎矩、剪力包絡(luò)圖見圖8。

由彎矩、剪力包絡(luò)圖可見，支點(diǎn)最大負(fù)彎矩為6 292 kN·m，最大剪力5 377 kN。通過配置抗彎鋼筋及抗剪箍筋、斜筋，本設(shè)計(jì)可滿足承載要求。

2.4預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁與普通混凝土蓋梁設(shè)計(jì)對比分析

以本橋?yàn)槔亩嘬嚨?、大跨度公路橋梁，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁外形呈現(xiàn)梁端懸臂長、墩柱間距大、墩柱數(shù)量少的特點(diǎn)，外形較美觀，蓋梁下僅設(shè)置兩墩柱，橋下通過性好。蓋梁各截面受力差異性較大，最大彎矩及剪力集中在墩柱支撐處，長懸臂根部為結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，此處須加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋及普通鋼筋的布設(shè)，以抵抗因長懸臂、大跨度造成的支點(diǎn)負(fù)彎矩及跨中彎矩。因布設(shè)了預(yù)應(yīng)力鋼束，更具有工藝復(fù)雜、工期較長、對外界環(huán)境敏感等特點(diǎn)。

普通鋼筋混凝土蓋梁采用四墩柱設(shè)計(jì)，懸臂長度:柱間跨度≈1∶2.5，考慮削峰效應(yīng)下支點(diǎn)處負(fù)彎矩:跨中正彎矩≈1∶1.5，四處支點(diǎn)剪力均在5 200～5 400 kN之間，蓋梁整體受力均勻。但蓋梁高度較大，且設(shè)置四墩柱，橋下通過性及景觀效應(yīng)不佳，墩柱間距及懸臂長度受蓋梁、墩柱尺寸所限，對于更多車道的道路，只能通過增加墩柱個(gè)數(shù)、加大蓋梁尺寸來實(shí)現(xiàn)。在較小跨度、低等級公路中，普通鋼筋混凝土蓋梁因結(jié)構(gòu)簡單、工期較短、便于施工等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

3結(jié)束語

兩種蓋梁均為公路工程設(shè)計(jì)中常見的結(jié)構(gòu)形式，官廳水庫特大橋同時(shí)采用了兩種蓋梁形式。簡述了在相同荷載作用下，兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程及受力特點(diǎn)，并對比了各自在結(jié)構(gòu)受力、景觀設(shè)計(jì)、應(yīng)用范圍等不同方面的特點(diǎn)。兩種形式的蓋梁在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維護(hù)等不同階段，以及在工程投資、結(jié)構(gòu)耐久性、抗震設(shè)計(jì)等不同方面的對比分析值得進(jìn)一步研究與探討。

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中圖分類號：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2016)01-0103-04

作者簡介：檀維超(1985—)，男，畢業(yè)于北京交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-12-11