桥墩盖梁的设计与计算分析

全炳欣

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

0 引言

山阴至平鲁高速公路上一高架桥，由于施工方面要求，现把中间某跨由现浇改为预制。此跨为5×30一联，桥面净宽为净11.75～15.5m；上部结构采用预应力砼（后张）小箱梁，先简支后连续；下部结构采用柱式墩，墩台采用桩基础。跨内墩高为24m左右，桩基础。由于盖梁下面桥墩尺寸已经拟定，现必须通过上下部受力计算拟定盖梁尺寸，进行盖梁设计。

1 桥墩盖梁的尺寸拟订

1.1 盖梁尺寸初步拟定

现以桥面最宽的连续墩为例，进行分析说明。桥墩上桥面宽度为15.25m宽，柱间距6.8m。柱径1.6m，桩径1.8m。 档块底部宽度为0.45m，盖梁长度计算为14.45m。其宽度和高度需通过计算作初步的拟订。

1.2 盖梁尺寸最终拟定

1.2.1 作用计算

荷载作用包括永久作用、可变作用、施工吊装荷载以及桥墩沿纵向的水平力。应当注意的是,在计算可变作用时汽车荷载的轮重不是直接作用在盖梁上，而是通过设在盖梁上固定位置处的支座来传递活载反力。因此，首先应根据规定的设计荷载。分别按其在盖梁上可能产生的最不利情况，求出支点的最大作用。另外，当荷载对称布置时按杠杆法计算，当荷载非对称布置时按刚性横梁法计算。

1.2.2 作用效应计算

通常情况下，柱式墩盖梁计算时的控制截面选取支点与跨中截面。在计算支点负弯矩时，采用永久作用和非对称布置可变作用的反力；在计算跨中正弯矩时，采用永久作用和对称布置可变作用的反力。桥墩沿纵向的水平力以及荷载的偏心会对盖梁产生扭转，计算时应予以计入。

1.2.3 截面配筋计算

钢筋混凝土盖梁的配筋验算方法与钢筋混凝土梁配筋相同，即根据弯矩包络图配置受弯钢筋，根据剪力包络图配置弯起钢筋和箍筋，并应计算截面扭矩所需要的纵向钢筋和箍筋。当采用预应力混凝土盖梁时，其预应力钢筋与普通钢筋的配置与预应力混凝土梁式构件相类似[1]。

按照以上步骤，对初步拟订的多种盖梁宽度和高度进行比较，最终拟定盖梁尺寸为2m×2m（高×宽）。

2 盖梁的计算模型与分析

2.1 盖梁的计算模型

盖梁结构受力采用同济大学桥梁工程系编制的《桥梁博士V2.95》软件进行计算。按平面杆单元将整个盖梁（含墩身）先划分为单元和节点（几何模型如图1所示）。盖梁部分为桥面单元，桥墩部分为非桥面单元。两个桩顶采用水平、竖直和转动三个方向的刚性约束，其余节点无约束。

由于柱的钢筋伸入到盖梁内，与盖梁钢筋绑扎成整体，并且柱与盖梁是整体现浇的，其相互间是刚性连接，因此盖梁不是理想的简支结构。只有当柱的高度较大，导致柱的线刚度较低时，盖梁在构造上才接近简支结构。

图1 计算几何外形图

文献[2]规定：墩台盖梁与柱应按刚构计算。当盖梁与柱的线刚度（EI/L）之比大于5时，为简化计算，可以忽略节点不均衡弯矩的分配及传递；双柱式墩台盖梁可按简支梁或悬臂梁进行计算和配筋。

目前盖梁的计算图式主要有双悬臂简支梁（连续梁）计算图式和双悬臂刚架结构计算图式。使用传统计算模型计算盖梁时应先确定其线刚度比，以判断采用何种计算图式进行计算。平面简化模型及全桥空间模型由于采用有限元方法可直接建立模型计算，不必利用线刚度比确定计算图式。

本实例的盖梁跨高比在2.5＜l／h≤5范围内，盖梁的截面应变不符合平截面假定，即混凝土的应变沿截面高度不符合线性分布，不能按照一般梁计算，应采用空间模型求解盖梁内力。

2.2 盖梁的计算分析

盖梁在支撑处的负弯矩，理论上会呈现尖形的突变，而实际支撑处具有一定的支撑宽度，并不是一个点支撑，真实的弯矩图应呈圆滑的曲线型。文献[2]规定：计算连续梁中间支撑处的负弯矩时，可考虑支座宽度对弯矩折减的影响，折减后弯矩不得小于未经折减的弯矩的0.9倍。对于普通钢筋混凝土双柱式桥墩盖梁取0.85均能满足工程需要，但是当遇到柱直径较小或盖梁高度不高等特殊情况时应谨慎计算。使用平面简化模型计算时，对于双柱式盖梁，当上部为奇数片梁时，比较接近真实受力状态，无需对跨中弯矩值进行折减；为偶数片梁时，跨中弯矩计算值可进行适当折减。

盖梁是弯剪受力为主的构件，在弯曲正应力和剪应力的共同作用下，将产生与梁轴线斜交的主拉应力及主压应力。因混凝土的抗压强度较高，一般不会被压坏；当主拉应力较大时，则可能使构件沿着垂直于主拉应力方向产生斜裂缝，并导致盖梁斜截面发生破坏。因此，钢筋混凝土盖梁除应进行正截面强度计算外，还需对弯矩和剪力同时作用的区段进行斜截面强度计算。这就要求盖梁除了具有合理的截面尺寸之外，还应配置斜弯钢筋和箍筋。

一般情况受弯构件的破坏形态主要有弯曲破坏、剪切破坏和弯剪界限破坏等三种。配筋有适筋破坏、超筋破坏和少筋破坏。当梁发生弯曲破坏时，其纵向受拉钢筋的配筋率往往很小，配筋率增加到一定数值后，梁将不再发生弯曲破坏，而转成剪切破坏。剪切破坏的形式主要是斜压或劈裂破坏，但对于短梁则发生斜压或剪压破坏。当配筋率等于弯剪界限破坏配筋率时，随着斜裂缝的出现和开展，深梁在其斜裂缝处受拉钢筋屈服的同时，将发生其腹板的斜压破坏，这种破坏称为弯剪界限破坏。本实例介于短梁和深梁之间，因此合理配筋尤为重要。

以下是通过计算得出的弯矩、剪力、轴力三种内力分析图。

图2 弯矩分析图

图3 剪力分析图

图4 轴力分析图

3 结论

通过分析计算有以下几点体会：

a）对盖梁抗剪能力来说，箍筋和混凝土比斜筋能起到更有效的作用，箍筋间距，以10～20cm为宜，本设计采用10cm；

b）本设计由于悬臂过大，对弯起筋（斜筋）配置进行了加强，间距采用30～50cm，自跨中到悬臂由密到疏进行配置；

c）由于采用有限元模型，盖梁的各部分受力都能明确体现出来，能够更好地受力进行分析；

d）由于l／h≤5梁不会出现斜拉破坏，剪切变形对梁的挠度的影响忽略不计。

[1]杨树萍，纪秋吉，朱东.关于盖梁计算模型的探讨[J].工程与建设，2011，（25）：50-52.

[2]JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].