大懸臂預應力蓋梁上跨盾構隧道的設計與應用

項偉，謝子洋

（1.臺州職業(yè)技術學院，浙江 臺州 318000；2.臺州市水利工程質(zhì)量與安全事務中心，浙江 臺州 318000）

近年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴張，越來越多的城市都開始修建軌道交通和地下道路以紓解交通壓力。當市政橋梁上跨盾構隧道時，為了減少二者之間的相互影響，下部結構的形式和布置會受到限制，同時還要結合景觀、河道水利及橋下通行情況等綜合考慮。為了滿足這些要求，常常采用大懸臂預應力蓋梁的設計方案。

蓋梁是橋梁工程中承上啟下的重要構件，上部結構的恒載和活載通過其傳遞給墩柱和基礎。蓋梁是一種典型的以彎剪受力為主的構件，自重引起的結構內(nèi)力很小。當跨度增加時，普通鋼筋混凝土蓋梁不易滿足計算要求，而需采用預應力混凝土結構，不僅結構強度、剛度和穩(wěn)定性符合規(guī)范，橋下視野也較好。

1 工程概況

本文以臺州市開發(fā)大道跨東山河橋工程為例。橋梁全長75m，跨徑布置為3m×25m，寬46m，設計道路中心線法線與橋跨中心線順交40°，市域鐵路S1線從橋梁下方穿過（見圖1）?？紤]周邊用地限制以及樁基需與盾構保持一定的安全距離，墩臺均采用了預應力混凝土蓋梁，上接預制小箱梁，下接矩形墩、承臺和鉆孔灌注樁基礎。本文對1#橋墩的大懸臂預應力蓋梁進行了設計與計算。

圖1 基頂平面圖

2 技術標準

設計技術標準如下：①設計速度：50km/h；②設計荷載：城-A級；③設計地震動峰值加速度：0.05g；④設計安全等級：一級；⑤橋面布置：2.5m（人行道）+3m（非機動車道）+2m（機非分隔帶）+14m（機動車道）+3m（中央綠化道）+11m（機動車道）+3.5m（機非分隔帶）+3.5m（非機動車道）+3.5m（人行道）=46m。

3 結構設計

3.1 構造尺寸

上部結構采用3m×25m先簡支后連續(xù)預應力混凝土小箱梁，左右分幅；下部結構橋墩采用三墩柱預應力混凝土蓋梁，整幅設置；橋臺采用座板臺形式，預應力混凝土蓋梁接承臺，分三幅。

1#橋墩樁基采用6根直徑1.2m的鉆孔灌注樁，按端承樁設計，樁端進入巖層有效深度不小于3m，平均樁長64m，樁基間距2.4m，單樁反力≥2800kN，樁基與盾構結構邊線最小凈距3.76m。樁頂設尺寸為4.6m×7m×2m的矩形承臺，上接矩形立柱（1.6m×1.6m，邊緣設置R=20cm圓倒角）。蓋梁總長58.012m，寬度為2.1m，高度2.2m，端部高度1.5m；北側(cè)懸臂7.362m，南側(cè)懸臂10.15m。預應力蓋梁采用C50混凝土，立柱及承臺采用C40混凝土，樁基采用C30水下混凝土。1#橋墩構造圖如圖2所示。

圖2 1#橋墩斷面圖

3.2 蓋梁預應力體系

預應力混凝土蓋梁采用A類預應力混凝土結構，鋼束采用φs15.24低松弛高強鋼絞線，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，錨下有效控制張拉應力為1395MPa，兩端張拉。預應力管道采用金屬波紋管，真空壓漿工藝，管道摩擦系數(shù)取0.16，局部偏差系數(shù)取0.0015，鋼筋回縮和錨具變形為6mm。蓋梁內(nèi)共布置14根15-φs15.2預應力鋼束，分兩批次張拉，鋼束布置見圖3所示。

圖3 蓋梁預應力鋼束布置圖

3.3 施工順序

預應力蓋梁施工步驟如下：

①搭設支架，立模澆筑C50混凝土；

②混凝土強度達到設計強度的90%且齡期達到14d及以上時，對稱張拉N1、N3鋼束，預應力管道壓漿；

③壓漿強度達到100%時，拆除蓋梁模板和腳手架。架設預制小箱梁，小箱梁從墩柱中心向兩側(cè)對稱吊裝，完成后再對箱梁負彎矩鋼束、橫梁和濕接縫進行施工；

④待上部結構施工完成后，對稱張拉N2鋼束，壓漿并封錨；

⑤壓漿強度達到100%時，施工橋面鋪裝及人行道欄桿等附屬設施；

⑥成橋運營。

4 蓋梁計算

4.1 計算模型

采用MIDAS/Civil 2019有限元軟件建立橋墩蓋梁計算模型，如圖4所示。蓋梁和墩柱均采用梁單元，共計41個單元。

圖4 結構計算模型

對于立柱與蓋梁之間的連接，有兩種連接形式。

第一種是柱與蓋梁全固結，在此計算模式下，由于溫度力的存在和混凝土的收縮徐變，同時兩立柱間距較大，會使兩側(cè)立柱產(chǎn)生較大的沿蓋梁方向的水平力和彎矩，成為大偏心受壓構件。在現(xiàn)有構造尺寸下，樁基的裂縫計算無法滿足規(guī)范要求。

第二種是柱與蓋梁固結，兩側(cè)立柱與蓋梁通過單向支座連接（活動方向沿橋墩中心線），這種情況下釋放了沿蓋梁方向的水平力，立柱和樁基可認為是軸心受壓構件，受力和變形能滿足規(guī)范要求。

以下計算結果基于第二種連接方式。

4.2 計算參數(shù)

計算中考慮的作用在蓋梁上的主要荷載有：

①恒載：包括上部小箱梁的自重，二期恒載（鋪裝及附屬），混凝土的收縮徐變等，上部荷載通過支座傳遞到蓋梁；

②活載：城-A級荷載，考慮車道的最不利布置，按橫向加載進行計算，并考慮沖擊系數(shù)；

③溫度作用：按規(guī)范取值，整體升溫22.5℃，整體降溫23.3℃，同時考慮非線性溫度變化；

④支座沉降：不均勻沉降按10mm考慮。

4.3 承載能力極限狀態(tài)驗算

基本組合下，蓋梁彎矩包絡圖如圖5、圖6所示。蓋梁最大正彎矩出現(xiàn)在較大跨度的跨中位置，最大負彎矩出現(xiàn)在最大懸臂的根部位置。蓋梁抗彎能力完全滿足承載能力極限狀態(tài)下的規(guī)范要求，承載力最小富余量為6%。

圖5 正截面抗彎驗算包絡圖

圖6 斜截面抗剪驗算包絡圖

4.4 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗算

根據(jù)模型計算結果，在作用頻遇組合下，未出現(xiàn)拉應力，最小壓應力出現(xiàn)在懸臂側(cè)柱頂位置上緣，小于允許值0.7ftk=1.855MPa（ftk為混凝土抗拉強度標準值）；在作用準永久組合下，未出現(xiàn)拉應力，最小壓應力出現(xiàn)在懸臂側(cè)柱頂位置上緣，滿足規(guī)范要求；在作用頻遇組合下，最大主拉應力為-0.66MPa，出現(xiàn)在最大懸臂側(cè)柱頂位置，小于規(guī)范限值0.5ftk=1.325MPa。故蓋梁拉應力滿足正常使用極限狀態(tài)下的規(guī)范要求。

圖7 頻遇組合下正截面抗裂驗算包絡圖

圖8 準永久組合下正截面抗裂驗算包絡圖

圖9 斜截面抗裂驗算包絡圖

在活載作用下，蓋梁最大豎向位移為6.0mm，最小豎向位移為-8.3mm，出現(xiàn)在蓋梁端部。依據(jù)規(guī)范，受彎構件在使用階段的撓度應考慮長期效應的影響，蓋梁采用C50混凝土，撓度長期增長系數(shù) ηθ=1.425，端部撓度 1.425×(6.0+8.3)=20.4mm＜10150/300=33.8mm，滿足規(guī)范要求。

4.5 持久狀況構件應力驗算

根據(jù)模型計算結果，在持久狀況下，最大壓應力為15.5MPa出現(xiàn)在最大懸臂側(cè)柱頂位置下緣，小于允許值0.5fck=16.20MPa（fck為混凝土抗壓強度標準值）；最大主壓應力為15.6MPa出現(xiàn)在最大懸臂側(cè)柱頂位置下緣，小于允許值0.6fck=19.44MPa。故蓋梁壓應力滿足持久狀態(tài)下的規(guī)范要求。

經(jīng)計算，柱頂上緣預應力束最大拉應力 為 1173.7MPa＜0.65fpk=1209.0MPa（fpk為預應力鋼束抗拉強度標準值），滿足規(guī)范要求。

圖10 正截面壓應力驗算包絡圖

圖11 斜截面主壓應力包絡圖

4.6 短暫狀況構件應力驗算

施工階段蓋梁截面邊緣混凝土的法向壓應力驗算結果如圖12所示，截面邊緣法向最大壓應力為14.7MPa，小于允許值0.7f’ck=18.14MPa（f’ck為短暫狀況施工階段的混凝土抗壓強度標準值）；截面邊緣法向最大拉應力為-0.9MPa，小于允許值 0.7f’tk=1.48MPa（f’tk為短暫狀況施工階段的混凝土抗拉強度標準值），滿足規(guī)范要求。經(jīng)計算，若改變施工步驟，會造成結構應力超限。

圖12 施工階段法向壓應力驗算包絡圖

5 結語

①大懸臂預應力蓋梁能減少立墩的數(shù)量，適用于基礎條件受限的橋梁施工。同時，能減小墩柱的阻水面積，景觀通透性較好，值得推廣。

②三柱式大懸臂預應力蓋梁結構受力復雜，應注意墩柱和樁基的內(nèi)力和變形驗算，必要時可考慮在兩側(cè)立柱和蓋梁之間設置支座，釋放水平約束。

③應注意施工順序?qū)Υ髴冶垲A應力蓋梁受力的影響，通過調(diào)整施工順序、架梁順序及鋼束張拉順序，使蓋梁始終處于安全的受力狀態(tài)。