预应力混凝土盖梁设计分析

胡 娜 成宁波

（1.重庆市市政设计研究院， 重庆 400020；2.重庆交通大学， 重庆 400074）

0 引言

常规公路桥梁设计中，桥面单幅宽度一般在13m 以内，桥墩盖梁墩柱的跨径一般在10m 以内，一般均采用钢筋混凝土结构，施工成本低、施工方便快捷。但在某些特殊环境中，如避免与既有建筑物干扰、结构净空受限、桥梁美观要求高等，当普通钢筋混凝土盖梁不能满足设计和建设要求时，采用预应力混凝土盖梁成为一种较为合理的方式。本文对预应力混凝土盖梁设计进行分析探讨。

1 桥梁建设中预应力技术概述

在桥梁施工中预应力技术指的是在混凝土工程中应用形成的预应力，减弱或消除外部荷载的拉应力，提高构件的抗拉强度，防止混凝土因承受较大拉力出现破裂。盖梁作为桥墩顶端的传力部分，依靠盖梁支座承受上部结构的恒载和车辆及人群荷载，预应力盖梁设计在城市高架桥或特殊环境下有着非常广泛的应用。

1.1 从桥梁建设成本上来说，预应力盖粱梁高相对较小，桥下空间大，跨径大，并且结构耐久性较普通钢筋混凝土结构要好，并可减少下部桩柱的工程量，节约工程造价。

1.2 从桥梁的结构性能上来说，预应力混凝土变形小、耐久性好、刚度大，能大幅度提高构件的耐久性能。预加应力消除了使用荷载下形成的裂缝，使混凝土结构的耐久性提升，预应力挠度通常与荷载挠度相反，预应力结构和普通混凝土结构相比总挠度明显减小， 构件在受拉之后在开裂部位施加一定预压应力，能较好的控制裂缝。纵向预应力钢筋防止构件出现斜裂缝，使构件的整体抗剪能力提高。

1.3 从桥梁美观度来说，盖梁采用预应力混凝土结构，高强钢材的利用不仅能降低结构自重20%—30%左右，还能减小外观尺寸，体现柔美的特点，使桥梁与周围环境相协调，符合人们的审美需要。

2 预应力混凝土盖梁受力及施工特点

2.1 预应力盖梁的受力特点

盖梁作为桥梁建设中承上启下的关键构件，将上部结构的恒载和活载向下传递给墩柱和桩基，实际上盖梁在结构中主要以弯、剪、扭三种受力为主，其自重引起的结构内力不大，主要是外加荷载和梁体通过支座传递的集中力，车辆活载一般能占到总内力的三分之一左右。施工阶段和活载作用时，盖梁承受的扭矩产生的扭转剪应力要小于竖向力产生的剪应力，因为不是永久荷载一般不作为受力设计计算，一般采取增加抗剪钢筋措施消除扭转内力影响。

2.2 预应力筋张拉技术控制严格

盖梁预应力筋设计采用后张法较多，因为钢束束数较多一般采取单向或双向或单双向交叉使用，要严格控制预留张拉孔道、张拉前穿束、端头锚固等施工技术。通常钢束分两批、两端张拉，张拉次数过多影响施工，张拉次数过少应力达不到设计要求。钢束第一次张拉一般安排在盖梁混凝土强度达到100%后，待完成上部结构的架设工作之后，再进行第二次张拉，最后实施桥面铺装等附属设施。要严格按计算分批张拉，避免应力超标。另外，预应力盖梁一般采用大吨位的预应力钢束较多，锚具处的应力较为集中，通常要设置防裂钢筋网。

2.3 施工难度系数高

通常墩柱的间距和盖梁的长度都较大，同一个结构杆件存在不同的正负弯矩，再加上复杂的预应力管道布设，大体积的混凝土浇筑，无疑增加了施工难度、浇注难度大和底模支撑的难度。特别是底模支撑技术要求严格，通常采用墩柱上部预埋鹰臂支架、万能杆件拼组支撑、满堂式支架、贝雷支架等不同结构形式的组合搭配，施工不规范容易引起盖梁结构下沉。一方面是因为支撑点地基承载力引起的不均匀下沉；一方面是因为盖梁底模安装没有留设适当预拱度造成施工荷载或盖梁自重引起下沉。普通钢筋做成骨架形式，普通钢筋的直径要符合设计要求，并适当增加抗剪斜筋配置。拆除脚手架支撑结构时，要分区段按顺序有计划、有间隔的进行，确保安全。

2.4 严格受力计算和施工监测

这两项工作是预应力混凝土盖梁施工中的关键环节，各种支撑杆件要经过严密的计算，确保在满足全部荷载的要求上进行施工，关键部位要进行支撑静载试验，确保支架的弹性压缩和非弹性压缩值处于合理范围。除此之外，要实时观测支撑脚手架在设计荷载作用下的沉降，监测混凝土配比设计和混凝土质量，验算张拉应力各项参数，同时要严密监测能引起结构变化的所有事项。

3 预应力盖梁计算要点

3.1 单元的简化

根据盖梁的几何尺寸和其结构中主要以弯、剪、扭三种受力为主的特点，将其简化成平面杆系单元运用结构计算程序，对比模拟成实体单元计算方式来说，不仅简单方便，而且能满足设计的控制要求。虽然局部区域如墩柱与盖梁连部位、支座垫石附近可能出现应力集中，可以采取增强构造钢筋等方法来进行消除。除非有特殊要求的情况下，一般将盖梁用平面杆系有限元模拟计算比采用实体单元计算更加方便、可行。

3.2 荷载的简化

预应力混凝土盖梁受本身自重及上部结构梁体、桥面铺装、防撞护栏等自重和活载经支座传递过来的集中力影响，盖梁自重计算一般比较简单、明确，作为集中力加载上去就行。活载计算比较复杂需要进行简化，要对盖梁内力最不利情况下活载引起的各支座反力进行准确的计算。上部结构为T 梁的计算步骤如下：求出T 梁支座反力影响线→根据T 梁支座反力影响线设计活载和最大支座反力→顺盖梁方向按车轮最不利位置布置车辆活载→根据车轮横向布置求出相应各梁体荷载横向分布系数→根据横向分布系数和最大支反力求出活载经梁体传递作用在盖梁的各集中力。五个步骤计算操作非常繁琐，需要进行简化处理。可以假设预应力混凝土盖梁单元为桥面单元，直接在盖梁上横向布置活载车辆，计算盖梁最不利内力，或者用边梁的最大活载反力来代替其他所有梁活载反力，虽然这两种简单算法可能使结果有所误差，但偏差在合理范围内，不影响设计要满足的要求。

3.3 边界条件的简化

预应力盖梁计算如果边界条件采用模拟形式不同，会影响到墩柱顶负弯矩，对边界条件进行简化要分析墩柱顶的受力，根据墩柱顶负弯矩最不利截面，实际计算中将边界条件简化成单点铰支座、两点铰支座、单点固结三种情况。通过计算和对比，单点铰支座支点控制截面负弯矩最大，对偏差适当消减即可；两点铰支座支点控制截面负弯矩值与所两点铰支座的距离关系密切，确定支座距离缺乏有效依据，计算准确性难以保证，所以采用不多；单点固结支点控制截面负弯矩和单点铰支座方法相比，在墩柱外侧截面的计算结果偏差不大，二者都能满足计算设计的要求。

4 结语

随着公路桥梁跨度和桥面宽度的不断增大，传统的钢筋混凝土盖梁浇筑技术已经不能满足当前桥梁建设发展的要求，预应力混凝土盖梁以其变形小、耐久性好、刚度大等特点，成为大跨径预应力盖梁桥梁建设的大势所趋。本文从桥梁建设中预应力技术应用入手，分析了预应力混凝土盖梁受力、施工特点及预应力盖梁计算要点，只要保证预应力盖梁设计和施工满足相关规范要求，避免后期超载运营，就能保证施工阶段和后期使用过程的结构安全。