现浇连续箱梁中预应力隐形盖梁的受力分析

郝晨琦

（深圳高速工程顾问有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

近年来，沿海经济发达地区为了提高运输效率、增大交通疏解能力、减少工程用地，修建了大量结构简洁新颖的高架立交桥，而且随着我国经济的不断发展，会进一步增加交通流量及造成城市工程用地更加紧张，而城市用地的成本高于增加结构物的成本，高架立交桥方案将逐渐成为我国现代化城市道路工程的重要组成部分。在高架立交桥设计中,一方面要满足通行车辆对立交本身的运输效益与城市社会效益的需求，另一方面也要兼顾立交桥梁下道路的近期及远期运输效益。如何更有效地利用高架立交桥桥下空间，在保证桥下纵向通行能力和建筑净空高度要求的情况下，尽量降低桥面高度，减小引道长度，适当控制结构物造价将是今后经济发达地区立交桥建设中必须解决的问题。采用隐形盖梁是一种有效办法。

1 预应力隐形盖梁结构特点

1.1 预应力隐形盖梁结构优点

（1）预应力隐形盖梁结构，利用上部结构的原有空间及与上部固结的一体形式，完成将上部作用利用铰接结构向下部结构传递的部件。隐形盖梁主要作用在于，如遇到桥下有与桥梁同走向的纵向行车通道时，可以提供横向空间；虽然作为隐形盖梁融入上部结构现浇箱梁的横梁会使之较常用下部盖梁宽度及高度有所增加，但是考虑到现浇箱梁的横梁的配筋率较大，以及隐形盖梁采用了预应力混凝土结构，隐形盖梁与使用普通下部盖梁比较，不仅能提供更多竖向空间而且造价更经济。将预应力隐形盖梁应用于桥面宽度较小的现浇连续箱梁桥时，还可以增大上部构造的抗扭刚度；隐形盖梁增加预应力后能较大地改善在运营时的上部结构稳定性与整体性。

（2）预应力隐形盖梁可以减少其周边的翼缘板边缘自由度，且隐形盖梁在运营期由于剪力滞效应，箱梁顶板以及翼缘板与隐形盖梁在不同工况下可相互分担一部分的压应力及剪应力作用，使结构承载能力少量增加，但由于影响较小，因此在计算时通常可以忽略。

（3）预应力隐形盖梁还具有普通预应力盖梁的普遍优点，例如减少下部开裂等病害，在抗剪能力基本相同的情况下更节省普通钢筋等；将预应力隐形盖梁并入上部结构后，还降低了下部结构的施工难度，加快了工期；预应力隐形盖梁的使用还会一定程度上减小更换现浇连续箱梁支座的难度。

2 工程实例

2.1 桥梁概况

广东省深圳市某快速路大桥是主线桥的下行匝道桥，该桥上行纵向跨越一主要通道的辅道，上部为现浇预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用桩柱式双柱桥墩，摩擦桩基础。桥梁全长251.5 m，全桥共三联，第一联采用（3×25 m）现浇预应力混凝土连续箱梁（预应力隐形盖梁结构位于该匝道桥第一跨的2号、3号、4号桥墩处）。桥梁主要尺寸及技术标准为：净宽为8.5 m；公路-Ⅰ级荷载；现浇梁高为140 cm；沥青混凝土铺装厚为10cm；7度设防地震烈度；桥墩尺寸为D=100 cm。桥跨布置及隐形盖梁所处断面如图1所示。

2.2 结构总体分析及计算基础资料

图1 大桥第一联桥跨布置图及预应力隐形盖梁所处断面图(单位:cm)

预应力隐形盖梁跟上部梁高同高，并且梁高较小，采用平面杆系有限元分析程序进行结构计算。计算中分别将现浇箱梁与隐形盖梁进行计算分析，通过现浇箱梁的计算分析确定极限状态下隐形盖梁所受到的荷载作用，以集中力加均布作用，模拟现浇箱梁传递的荷载作用及隐形盖梁本身直接承受的恒载与活载。由于盖梁下采用盆式支座，所以隐形盖梁边界条件为简支约束。在对隐形盖梁的单独计算中不考虑现浇箱梁的刚度影响。隐形盖梁结构离散图如图2所示。

图2 隐形盖梁结构离散图

具体的结构尺寸拟订及参数的选取，其内容叙述如下。

2.2.1 材料选用

现浇箱梁、隐形盖梁：C50混凝土；

钢筋：R235、HRB335钢筋；

预应力钢绞线：270级高强低松弛刚绞线，fpk＝1 860MPa。

2.2.2 计算参数取值

（1）恒载自重按26 kN/m3计算。

（2）桥面铺装和防撞墙按40 kN/m计算。

（3）钢束参数及数量取值：

张拉控制应力σcon=0.75fpk=1 395 MPa；

松驰系数取0.3，孔道摩阻0.25，孔道偏差0.001 5，锚具变形0.006；

钢绞线数量：（m束×n股）：

腹板N1、N2、N3：4×10；

顶板T1、T2：2×5。

（4）活载标准及冲击系数μ：

汽车横向分布系数： 2车道m=2；

冲击系数按规范计算得μ＝0.293。

（5）支座沉陷：

不考虑沉降。

（6）温度作用：

温度作用参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）（以下简称《钢筋及预应力混凝土规范》）执行，在此选用T1和T2分别为14℃和5.5℃的温度基数。

2.3 计算结果及分析结论

2.3.1 承载能力极限状态验算结果

2.3.1.1 弯矩分析及纵向普通钢筋验算

根据《钢筋及预应力混凝土规范》第5.2.7条规定进行验算，并得出结论：

承载能力极限状态使用阶段组合2桥面系单元弯矩（最大值）验算，梁底面最大强度12 706.69 kN·m，最大效应6 692.0 kN·m（如图3所示）。

图3 承载能力极限状态使用阶段组合2桥面系单元弯矩图（最大值）

承载能力极限状态使用阶段组合3桥面系单元弯矩（最小值）验算，梁顶面最大强度12 706.69 kN·m，最大效应6 692.0 kN·m（如图4所示）。

图4 承载能力极限状态使用阶段组合3桥面系单元弯矩图（最小值）

强度验算通过。

2.3.1.2 剪力分析及箍筋验算（见图5）

图5 承载能力极限状态使用阶段组合2桥面系单元剪力图

根据《钢筋及预应力混凝土规范》第5.2.7条规定，由于该桥采用预应力隐形盖梁，在设计时已考虑利用预应力钢束弯起，保证剪力承载能力，故而节省了弯起钢筋的配置（Vsb=0），按照承载能力极限状态使用阶段组合2计算结论如下：

以梁端1/4L处截面进行验算：

该截面剪力小于承载力，满足规范要求。

2.3.1.3 正截面抗拉承载力分析─正常使用长期效应计算结果（最不利组合2）

根据《钢筋及预应力混凝土规范》第5.4.2条及相关规定，计算结果如图6所示。在正常使用长期效应的最不利组合下，主梁均未出现拉应力，满足规范要求。

图6 正常使用阶段组合2单元正应力图（最小值）

2.3.1.4 持久状况受压区混凝土最大压应力验算

如图7所示，根据图7中利用计算结果产生的应力图可知，主梁的最大压应力为 σkc+σpt=11.44 MPa，根据《钢筋及预应力混凝土规范》中第6.3.1条对A类构件的要求，即压应力（C50混凝土），满足规范要求。

图7 使用阶段组合 2桥面系单元正应力图（最大值）

2.3.1.5 持久状况受拉区预应力筋最大拉应力验算

经计算主梁预应力钢筋的拉应力在组合2时最大，其值为1 205.4 MPa，规范对A类预应力混凝土构件σpe+σp≤0.65fpk=1 209（MPa）（fpk=1 860MPa）的规定，满足要求。

2.3.2 正常使用极限状态验算结果

2.3.2.1 正截面抗裂分析及验算─正常使用短期效应计算结果（最不利组合3）

根据《钢筋及预应力混凝土规范》第6.3.1条及相关规定，计算结果如图8所示，根据其中正常使用的最不利组合应力数值可知，主梁在正常使用短期效应下均未出现拉应力，满足规范要求。

图8 正常使用阶段组合3单元正应力图（最小值）

2.3.2.2 斜截面抗裂验算─主拉应力σtp验算

根据《钢筋及预应力混凝土规范》第6.3.1条的相关规定，计算结果如图9所示，主梁在短期效应组合下的会在墩顶产生最小主拉应力：σtp=0.55 Mpa，根据上述规范要求，对于现场浇筑A类构件拉应力小于等于0.5ftk=1.325 MPa（C50混凝土），满足规范要求。

图9 正常使用极限状态桥面系单元主拉应力图（组合2最小值）

2.3.3 计算分析结论

根据上述的计算结果及分析,可得到如下结论：（1）预应力隐形盖梁对上部结构受力影响较小；（2）当上部因为运用本结构而增加了横向预应力钢束时，可有效地增大上部的整体性；（3）在墩顶存在较大的拉应力，需控制预应力弯起形态，以及使用较高标号的混凝土以保证墩顶截面满足规范要求。

3 结语

通过对广东省深圳市某快速路某立交一座匝道桥中预应力隐形盖梁的讨论分析，得到一些针对能保证桥下纵向通行能力和建筑高度的预应力隐形盖梁设计有用的分析方法和结论，有利于经济较发达地区现代化城市中的立交桥设计。同时为减少桥梁病害、降低养护难度和造价等提供了新的思路。

[1]范立础，徐光辉.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]贺拴海.桥梁结构理论与计算方法[M].北京：人民交通出版社，2003.