三柱式大悬臂预应力混凝土盖梁设计要点
2017-11-01汪晓倩蒋伦岗
■汪晓倩 蒋伦岗
(苏交科集团股份有限公司，南京 210000)
三柱式大悬臂预应力混凝土盖梁设计要点
■汪晓倩 蒋伦岗
(苏交科集团股份有限公司，南京 210000)
本文结合328国道海姜段快速化改造工程中的一处三柱式大悬臂预应力混凝土盖梁算例，总结了该类型盖梁的设计思路及注意事项。尤其是墩柱与盖梁连接处结构受力复杂，多为结构设计的控制性截面，需合理选择墩柱与盖梁的连接形式；结构计算时应合理选择架梁顺序及预应力钢束的张拉顺序，以保证施工过程结构安全。
三柱式大悬臂盖梁 预应力混凝土 计算分析
328国道海姜段快速化改造工程位于泰州市，连接海陵区与姜堰区，其中设置一处高架桥。高架桥上部结构形式采用装配式部分预应力混凝土简支组合箱梁，下部结构综合考虑施工工艺、工期、景观等因素，采用工艺成熟、工期短、桥下通透性较好的大悬臂预应力混凝土倒“T”盖梁形式。
高架桥标准段桥面全宽25.5m，整幅桥共8片组合箱梁，下部结构采用双柱式大悬臂盖梁。高架桥变宽段桥墩盖梁加长，并在两侧(单侧)采用设置边支墩的结构形式。
本文选取变宽段其中一处桥墩——69#桥墩，简要介绍三柱式大悬臂预应力混凝土盖梁的设计要点。
1 概述
1.1 盖梁构造尺寸
盖梁为三柱式大悬臂盖梁，全宽28.4m，柱距为12.55m+4.9m，盖梁右侧悬臂端部至墩柱中心距离为9.85m。盖梁采用变截面形式，端部高1.2m，根部高2m，倒“T”部分高度1.705m。墩柱采用矩形墩，截面尺寸1.6m×1.8m，盖梁主要尺寸见下图1：
图1 桥墩构造图(单位：cm)
盖梁采用C50混凝土，墩柱采用C40混凝土，承台及桩基采用C30混凝土。
1.2 盖梁预应力体系
盖梁右侧翼缘端部至墩柱中心的距离与墩柱中心距离的比值为2.46，远大于传统盖梁间距，盖梁翼缘的长悬臂效应非常突出，故盖梁内需要配置预应力钢束以改善盖梁受力状态。
图2 盖梁预应力钢束布置图
按照A类预应力混凝土构件进行盖梁设计，预应力钢绞线采用抗拉强度标准值fpk＝1860MPa、公称直径d=15.2mm的高强低松弛钢绞线。预应力管道采用金属波纹管，真空辅助灌浆工艺，管道摩擦系数取0.25，局部偏差系数取0.0015，张拉端锚具变形、钢束回缩按每端6mm考虑。
盖梁内共布置10根预应力钢束，其中N1a、N1b、N2～N4采用17Φs15.2mm型钢束，N5采用15Φs15.2mm型钢束。盖梁预应力钢束布置图如2所示：
2 盖梁计算
2.1 盖梁模型
采用桥梁博士V3.2有限元程序建立盖梁计算模型，盖梁及墩柱单元划分见图3：
图3 盖梁计算模型
在边支墩与盖梁的连接形式上，本例进行了2种连接方式的对比。第一种为边支墩与盖梁刚接，在此计算模式下，边支墩为大偏心受压构件，经计算在现有的构造尺寸下，其裂缝计算不满足规范要求，需要增大边支墩截面尺寸来适应其受力要求，考虑到市政高架桥梁的景观要求，需尽量保持下部墩柱结构尺寸的统一，故本例最终采用了第二种连接形式，即边支墩与盖梁之间通过支座连接，来解决上述问题。以下计算结果均是基于第二种连接方式。
2.2 计算参数
盖梁设计考虑的作用于其上的主要荷载有：
恒载：其中一期恒载包括上部预制小箱梁自重，二期恒载包括桥面铺装、护栏重量等。
活载：公路一级荷载，考虑车道的不利布置，按横向加载进行计算。
温度作用：考虑整体升降温25℃，并按照规范要求考虑盖梁非线性温度变化。
2.3 承载能力极限状态强度验算
基本组合下，盖梁弯矩包络图如图4～图5所示：
图4 最大弯矩及对应抗力
图5 最小弯矩及对应抗力
盖梁承载力最小富裕量为7%，满足规范要求。
2.4 正常使用极限状态抗裂验算
正常使用极限状态下，盖梁截面混凝土结构的抗裂验算结果见表1。
表1 混凝土抗裂验算结果(MPa)
由上表可见，正常使用极限状态下盖梁截面混凝土结构抗裂验算满足规范要求。
2.5 持久状况构件应力验算
使用阶段标准组合下，盖梁截面混凝土结构持久状况应力计算结果见表2。
表2 持久状况混凝土应力验算(MPa)
本桥在持久状况下混凝土的应力满足要求。
2.6 短暂状况应力计算结果
架梁顺序及刚束张拉顺序对施工阶段应力影响很大，本例选取了两种不同的施工顺序来进行试算对比。
2.6.1 第1种施工顺序
一次性架梁，分批张拉钢束，共分5个施工阶段完成盖梁施工：
(1)浇筑盖梁，张拉第一批预应力束：N1a、N1b 、N4、N5钢束；
(2)一次性架梁；
(3)张拉第二批预应力束：N2、N3；
(4)施加二期荷载；
(5)成桥10年。
2.6.2 第2种施工顺序
考虑分批架梁及分批张拉钢束，共分7个施工阶段完成盖梁施工：
(1)浇筑盖梁，张拉第一批预应力束：N1a、N4、N5 钢束；
(2)架设第一批组合箱梁(小桩号侧9片组合箱梁)；(3)张拉第二批预应力束：N1b；
(4)架设第二批组合箱梁(大桩号侧10片组合箱梁)；
(5)张拉第三批预应力束：N2、N3；
(6)施加二期荷载；
(7)成桥10年。
按照上述两种施工顺序进行盖梁施工过程模拟计算分析，计算结果见表3～表4：
表3 第1种施工顺序下的混凝土应力(MPa)
表4 第2种施工顺序下的混凝土应力(MPa)
由表可见，施工过程中盖梁截面最大压应力≤20.4 MPa，最大拉应力≤-1.67MPa，均满足规范要求。
但是对比各施工阶段的支反力可以发现，第1种施工顺序的第(1)施工阶段，边支墩支座处出现负反力，这是由于第(1)施工阶段张拉了过多的钢束导致，因此不可取。最终我们选用了第2种盖梁施工顺序。
表5 不同施工顺序下的边墩支反力(kN)
3结语
(1)三柱式大悬臂预应力混凝土盖梁，因结构受力复杂，应注意下部墩柱，尤其是边支墩的偏心受压验算，必要时在边支墩与盖梁之间设置支座。
(2)对于大悬臂预应力混凝土盖梁，应注意架梁顺序并合理选择预应力钢束的张拉顺序，以使盖梁处于合理的受力状态。同时如果盖梁与墩柱之间选用支座连接，要注意各施工阶段的支座反力，以免出现负反力将支座拉坏，可通过调整施工顺序及钢束张拉顺序来消除施工阶段的负反力。
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