某市政橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁設(shè)計要點淺析

賈凡鑫

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

1 概述

近年來，由于受到周圍環(huán)境、下方交通要求以及城市景觀要求等諸多方面限制，城市內(nèi)的市政橋梁對橋梁下部結(jié)構(gòu)的型式有了越來越高的客觀要求。而大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁不僅造型優(yōu)美簡約，同時能有效減少橋墩的橫向尺寸，節(jié)省橋下空間，滿足交叉口的視距及通透性要求，因此，在城市高架橋中得到廣泛應(yīng)用。

2 工程背景

2.1 項目概述

以東北地區(qū)某市市政高架橋為工程背景。全橋共29聯(lián)，上部結(jié)構(gòu)全部采用預(yù)應(yīng)力(后張)先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁，下部結(jié)構(gòu)中橋臺采用肋板臺，橋墩均采用大懸臂蓋梁，H型墩，樁基礎(chǔ)。本橋主要設(shè)計指標(biāo)如下：

(1)設(shè)計安全等級：一級。

(2)設(shè)計環(huán)境類別：Ⅱ類。

(3)設(shè)計橋梁寬度：橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為25.6m，斷面組成為0.55m(防撞護(hù)欄)+11.45m(車行道)+1.6m(中央分隔帶)+11.45m(車行道)+0.55m(防撞護(hù)欄)。

(4)汽車荷載等級：公路-Ⅰ級。

(5)設(shè)計車道數(shù)量：雙向6車道。

(6)設(shè)計洪水頻率：特大橋1/100。

(7)地震動峰值加速度：0.10g。

(8)抗震設(shè)防類別：B級。

2.2 蓋梁設(shè)計及施工技術(shù)細(xì)節(jié)

本項目出于城市景觀和節(jié)約橋下空間的綜合考慮，全線橋墩均采用大懸臂蓋梁接曲線H墩的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 典型橋墩斷面圖

橋墩立柱為截面矩形，柱頂至柱頂截面橫向尺寸采用2次曲線過渡，縱向等寬；蓋梁寬2.20m，高度則采用線性變化，其中端部高1.50m，柱頂外側(cè)處高2.42m，蓋梁中心高2.50m，最大懸臂長度為8.53m。

橋墩混凝土標(biāo)號為C40，蓋梁混凝土標(biāo)號為C50。其中為滿足受力需求，蓋梁設(shè)置15束(3×5)單端張拉的ΦS15.2-12預(yù)應(yīng)力絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa。蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖2。

圖2 橋墩蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置

上述蓋梁施工流程如下：澆注蓋梁→張拉第一批N3、N2b鋼束→架設(shè)小箱梁→張拉第二批剩余鋼束→施工小箱梁橫縱向聯(lián)系及橋面系。

2.3 研究的主要內(nèi)容

本例中，蓋梁懸臂較長，屬于“一般梁”構(gòu)件；而橋墩雙支點之間，蓋梁跨度L=7.24m，蓋梁高度h=2.5m，L/h=2.9，則屬于典型的“深受彎構(gòu)件”中的“短梁”。

對于“短梁”而言，雖然其受力性能與“一般梁”類似，但是在相同截面尺寸與配筋的前提下，“短梁”的承載能力與“一般梁”仍存在著一定的差別。

基于此，主要從承載能力(即正截面抗彎承載力以及斜截面抗剪承載力)的角度出發(fā)，依照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[1](JTG 3362-2018)(下文中統(tǒng)稱為“《公預(yù)規(guī)》”)中對于“一般梁”和“短梁”的不同規(guī)定，并引入現(xiàn)行建筑規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2](GB 50010-2010)(下文中國統(tǒng)稱為“《混規(guī)》”)中對于“短梁”承載力的相關(guān)規(guī)定作為對比。旨在通過實際計算，比較和分析“短梁”承載能力與“一般梁”的主要差別，總結(jié)出相關(guān)規(guī)律，并給出結(jié)論和建議。

3 分析過程

3.1 計算模型

采用Midas Civil 2020建立大懸臂蓋梁及橋墩的梁單元有限元模型。建模過程中對于結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，忽略蓋梁橫坡影響；同時，本例僅考慮上部小箱梁結(jié)構(gòu)恒載，二期恒載，汽構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，忽略蓋梁橫坡影響；同時，本例僅考慮上部小箱梁結(jié)構(gòu)恒載，二期恒載，汽車荷載以及蓋梁自重等荷載對于結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，由于本橋橋位處地質(zhì)較好，且采用整體承臺接樁基的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，整體性好，因此不考慮基礎(chǔ)變位等不利影響。

模型在計算汽車荷載時，考慮了車道不同橫向布置形式對于結(jié)構(gòu)受力的不利影響。建立的模型如圖3所示。

圖3 橋墩蓋梁有限元模型

3.2計算結(jié)果

對于上述蓋梁中的懸臂部分，按照“一般梁”驗算；而對于雙柱支點間的“短梁”部分，將分別按照三種不同模式(即《公預(yù)規(guī)》中“一般梁”和“深受彎構(gòu)件”，以及《混規(guī)》中“深受彎構(gòu)件”)驗算。

驗算內(nèi)容中，“正截面抗彎承載力驗算”分別取蓋梁與橋墩連接處(即蓋梁支點處)和蓋梁跨中中心處等兩處截面為控制截面，而“斜截面抗剪承載力驗算”則取蓋梁與橋墩連接處(即蓋梁支點處)為控制截面。

現(xiàn)將整理后的計算結(jié)果匯總?cè)绫?、表2。

表1 正截面抗彎承載力

表2 斜截面抗剪承載力

3.3 計算結(jié)果

通過對比以上計算結(jié)果可知，對于“短梁”的正截面承載力計算而言，一旦按照“一般梁”的模式執(zhí)行，可能將構(gòu)件實際承載力錯誤地放大。按照這種模式計算，并進(jìn)而指導(dǎo)配筋將導(dǎo)致構(gòu)件設(shè)計偏不安全，存在隱患。

比較《公預(yù)規(guī)》以及《混規(guī)》中給出的對于“一般梁”和“短梁”正截面抗彎承載力的計算公式可知，上述情況產(chǎn)生的原因，主要是由于對于“短梁”的情形而言，受拉鋼筋實際抗彎的有效內(nèi)力臂較“一般梁”中的對應(yīng)數(shù)值更小。

同樣的，對于“短梁”而言，在斜截面抗剪承載力驗算內(nèi)容中，《公預(yù)規(guī)》中對于最小抗剪截面尺寸的限定要求較“一般梁”的對應(yīng)要求更高(本條結(jié)論不適用于《混規(guī)》)；同時，通過計算可知，在同樣截面尺寸和配筋前提下，《公預(yù)規(guī)》和《混規(guī)》中“深受彎構(gòu)件”的抗剪性能均較“一般梁”差。

此外，通過簡單的比較可知，在計算“短梁”的斜截面抗剪承載力時，《公預(yù)規(guī)》中給出的公式更多關(guān)注的是配置箍筋后混凝土構(gòu)件整體的抗剪性能，并且兼顧考慮了受拉區(qū)鋼筋的影響；而《混規(guī)》則能夠分別考慮并計入混凝土、箍筋和水平鋼筋三部分各自的抗剪作用。

4 結(jié)論

近年來，從工程景觀需求以及節(jié)約橋下空間的雙重角度出發(fā)，大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁組合(橫向橋)窄體墩柱的橋墩形式得到了市政橋梁工程越來越廣泛的關(guān)注和實際應(yīng)用。

這類橋墩為了在滿足相對較寬的上部梁體承托需求的同時，能夠盡可能地減少橋墩墩身對于下部道路空間的侵占，往往會導(dǎo)致蓋梁的設(shè)計中同時引入了大懸臂的“一般梁”受力部分和高跨比較小的“短梁”受力(有時甚至進(jìn)入“深梁”范疇)部分。二者同時存在，共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳遞的各項荷載作用，并將其傳遞給下部的橋墩，直至基礎(chǔ)部分。

通過工程實例，以現(xiàn)行《公預(yù)規(guī)》為設(shè)計和研究依托，并引入了現(xiàn)行建筑規(guī)范(《混規(guī)》)的相關(guān)內(nèi)容作為比較。

通過建模計算和分析得到的結(jié)果可以證明：“短梁”構(gòu)件的承載性能計算理論與傳統(tǒng)的“一般梁”存在明顯不同。從總體上看，在相同的截面和配筋條件下，“短梁”的承載能力較“一般梁”低，在本文給出的算例中，前者的抗彎和抗剪承載力較后者低20%以上；同時，前者對于構(gòu)件的截面尺寸等構(gòu)造要求也往往較后者更高(本例的計算結(jié)果中接近35%)。

過去的橋梁設(shè)計過程中，基于以往工程經(jīng)驗等種種原因，個別橋梁設(shè)計者常常選擇直接忽略“短梁”部分的不利影響，將蓋梁整體按照具有長懸臂的“一般梁”構(gòu)件進(jìn)行建模、設(shè)計和配筋。這可能會導(dǎo)致最終的配筋結(jié)果偏于激進(jìn)，結(jié)構(gòu)可能存在安全性隱患，這一點以后工作中應(yīng)該引起廣大同業(yè)者足夠的關(guān)注和重視。