大跨度预应力砼盖梁受力分析及其在实际工程中的应用

刘 勇，郭俊峰

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430015）

近年来随着城市建设的发展和城市路网的密集，相交道路在平面上发生冲突及城市高架桥受地下管涵、地铁等结构影响的问题也随之增多。为了不影响下方道路的使用和通行，避开地下管涵、地铁等结构，经常采用大跨度预应力砼盖梁将墩柱放在路幅或地下结构以外。文章以武汉市某高架桥工程中大跨度预应力砼盖梁桥墩设计为例，设计时通过设置临时支座（已申请并通过“一种适用于大跨度预应力盖梁体系转换的临时支座装置”的发明专利），确保盖梁在预应力钢束张拉完成前保持简支状态，钢束全部张拉完成后后浇预留的墩柱与盖梁结合段的混凝土，完成体系转换，使其中一个墩柱与盖梁固结。体系转换的目的主要在于克服施工过程中预应力砼盖梁跨中较大的预应力损失，以达到尽量减小墩柱的截面尺寸的目的。通过这种设计思路对该类型大跨度预应力砼盖梁的受力分析、设计方法进行探讨，以便为以后该类型桥墩设计提供参考。

1 设计概况

1.1 技术标准

（1）汽车设计荷载：城-A 级；（2）设计速度：60km/h；（3）地震烈度：基本烈度6 度，按7 度设防，地震动峰值加速度0.05g；（4）设计温度：体系整体升温25℃，体系整体降温25℃；桥面板局部升降温按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）规范取值；（5）设计环境类别：Ⅰ类；（6）结构重要性系数：1.1。

1.2 工程概况及桥墩结构尺寸

桥墩为两联桥梁之间的联接墩，桥墩北侧桥梁设计为单幅桥，跨径布置为（39.3+33.7+47）m 的连续钢箱梁，桥宽26m，在该桥墩上设置有两个支座；桥墩南侧桥梁设计为双幅桥，其中LD1 联跨径布置为（2×50+38.976）m 的连续钢箱梁，LX1 联跨径布置为（2×51+36.521）m 的连续钢箱梁，桥宽均为12.75m，在该桥墩上共设置有四个支座。由于该桥墩处有一宽14.7m 的排水箱涵与桥梁斜交，导致该桥墩墩柱及基础的布置受到限制，根据桥梁的总体平面布置，该桥墩设计为双柱接盖梁的桥墩形式。盖梁总长25.3m，两墩柱中心间距为22m，即盖梁的计算跨径为22m。盖梁截面为等截面矩形，顺桥向宽2.4m，高2.6m，盖梁外侧端部高2.0m，墩柱外侧盖梁底设0.6m×0.6m 的倒角。盖梁底两个墩柱的截面尺寸均为1.7m×1.7m，墩柱外侧三面均设50mm 深凹槽，墩柱底设6.8m×2.6m×2.8m 的承台，下接2 根直径为φ1.6m 的桩基。左侧墩柱与盖梁相接处设置临时支座，待盖梁预应力钢束全部张拉完成并封锚后浇筑墩柱顶后浇段砼，完成体系转换与盖梁固结；右侧墩柱顶设置永久横向活动支座。

1.3 主要材料

桥墩盖梁采用C50 砼，墩柱采用C40 砼，承台采用C30 砼，桩基采用C30 水下砼。预应力采用《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224-2003）标准高强度低松弛预应力混凝土用钢绞线，公称直径d=15.2mm，标准强度fpk=1860MPa，锚下张拉控制应力σcon=1395MPa，钢束管道采用预埋塑料波纹管成孔。

2 盖梁计算

2.1 计算方法概述

盖梁计算采用平面杆系理论，根据桥梁上部结构的施工流程划分结构计算阶段。根据上部结构荷载组合反力，按集中荷载施加在盖梁顶对应的上部结构支座设置位置处，按A 类预应力构件计算结构在施工阶段及使用阶段的内力、应力、极限承载力是否符合规范要求。计算要点：分批张拉的所有批次预应力钢束全部张拉完成锚固之前，均应确保盖梁处于简支状态。桥墩盖梁预应力布置图如图1 所示。

图1 桥墩盖梁预应力布置图

2.2 计算模型

本桥墩盖梁采用同豪土木《桥梁博士V3.5.0》建立平面杆系模型进行受力分析，墩柱及盖梁均采用梁单元，墩柱底承台的刚度按无穷大考虑。计算模型如图2所示。

2.3 计算参数

恒载：一期恒载包括上部结构箱梁自重及盖梁自重；二期恒载包括桥面铺装、防撞护栏、分隔带等。活载：汽车设计荷载为城-A 级；汽车荷载的偏载增大系数取1.15，考虑纵向分布影响，冲击系数按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.2 条规范计算。温度：按整体升温25℃，整体降温-25℃考虑。基础不均匀沉降按0.5cm 考虑。锚具的回缩量按6mm 考虑，塑料波纹管管道摩擦系数取0.17，管道偏差系数取0.0015。

图2 桥墩计算模型简图

2.4 施工步骤

为了保证桥墩盖梁在预应力和构件自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的压应力σ，拉应力。本桥墩应严格按以下顺序及施工步骤施工，应保证在所有批次预应力钢束全部张拉完成锚固之前，均应确保盖梁处于简支状态。具体施工步骤：（1）先现浇墩柱至指定位置，在左侧墩柱顶设临时支座，右侧墩柱顶设横向活动支座；（2）搭设支架，浇筑墩顶盖梁，张拉第一批盖梁预应力钢束；（3）架设桥墩两侧的纵向主梁；（4）待桥墩两侧的两联主梁架设完成后张拉第二批盖梁预应力钢束；（5）施工桥面铺装；（6）待桥墩两侧的两联桥面铺装全部施工完成后张拉第三批盖梁预应力钢束；（7）钢束张拉完成封锚后，浇筑左侧墩柱顶后浇段混凝土，完成体系转换；（8）进行其他桥面附属设施的施工，成桥通车。

3 盖梁计算结果分析

3.1 持久状况承载能力极限状态计算

根据结构受力分析及模型计算结果，在承载能力极限状态下盖梁的最大弯矩出现在跨中偏右1.5m 处，下拉受弯，其值Md为58622kN·m，该处抗弯承载力设计值R 为88945kN·m，故盖梁的抗弯强度满足承载能力极限状态下规范规定的要求。根据结构受力分析及模型计算结果，在承载能力极限状态下盖梁的最大剪力出现在左侧墩柱中心对应处，其值Vd为16827kN，该处斜截面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力设计值Vcs为21207kN，故盖梁的斜截面抗剪承载力满足规范规定的要求。

3.2 持久状况正常使用极限状态计算

根据模型计算结果，在作用（或荷载）长期效应组合下，盖梁未出现拉应力，最小压应力出现在墩柱顶对应的盖梁下缘，其值为3.61MPa。在作用（或荷载）短期效应组合下，盖梁未出现拉应力，最小压应力出现在距左侧墩柱中心2.763m 处（支座中心线处）对应的盖梁下缘，其值为1.48MPa，最大主拉应力出现在墩柱顶对应的位置，其值为-0.632MPa，小于规范容许值1.325MPa。标准组合下最大压应力出现在距左侧墩柱中心2.763m处（支座中心线处）对应的盖梁上缘，其值为13MPa，小于规范容许值0.5fck=16.2MPa；最大主压应力出现在距左侧墩柱中心2.763m 处（支座中心线处）对应的盖梁上缘，其值为13MPa，小于规范容许值0.6fck=19.44MPa。故盖梁在正常使用阶段其正应力、主拉应力及主压应力均满足规范要求。根据模型计算结果，在汽车荷载作用下，盖梁跨中的最大位移为向下0.64cm，考虑挠度增长系数，跨中最大挠度1.425×0.64cm=0.91cm，小于计算跨径的L/600=3.7cm，故盖梁的刚度满足设计要求。由预加力引起的反拱值为1cm，预加力引起反拱的长期增长系数取2.0，则预加力引起的长期反拱值为1cm×2.0=2.0cm ＞跨中最大长期挠度0.91cm，故本盖梁可不设预拱度。正常使用状态下，预应力钢筋的最大拉应力为1156MPa≤0.65fpk=1209MPa，预应力钢筋的最大拉应力满足规范要求。

3.3 短暂状况盖梁应力计算

根据模型计算结果，在预应力和构件自重等施工荷载下各施工阶段盖梁的最大压应力和最大拉应力如表1所示。

表1 施工阶段盖梁应力表 单位：MPa

由以上结果可以看出，在各施工阶段盖梁截面边缘的最大压应力14.6MPa≤0.70fck’=22.68MPa，最大拉应力1.3MPa≤0.70ftk’=1.855MPa，故施工阶段盖梁的应力均满足规范要求。

4 结束语

大跨度预应力砼盖梁结构作为一种非常规的结构形式，可以有效避开桥下地面道路或地下建（构）筑物，减少用地拆迁，节省桥下用地空间。设计时借鉴目前桥梁上部结构施工广泛使用的体系转换方法，通过设置临时支座，分阶段对盖梁进行受力分析，待盖梁的预应力全部张拉完成后通过后浇预留的墩柱与盖梁结合段的混凝土，尽量减少施工过程中预应力砼盖梁的预应力损失，以达到有效减小墩柱的截面尺寸及减小墩柱的受力的目的。因本设计要求盖梁的所有预应力张拉完成锚固之前必须确保盖梁处于简支状态，所以在施工时必须采取可靠措施以确保盖梁的稳定，以防施工过程中发生倾覆。