城市桥梁预制拼装盖梁结构设计及计算探析

魏 澜

(福州市规划设计研究院 福建福州 350003)

0 引言

随着我国城市桥梁建设的迅猛发展和城市道路快速化改造的大力推广，城市高架桥建设越来越受到政府、建设单位和施工单位等的重视。尤其是高架桥下部结构的传统施工方法常常会阻断交通，产生大量噪声，对周边环境影响较大。如何在保证施工质量前提下，尽可能减少高架桥下部施工对交通、环境等的影响，使桥梁建设真正做到安全、经济、适用和美观，是一个值得思考探索的问题[1-2]。

桥梁结构预制装配化是加快桥梁施工、减少施工对交通、环境等影响的有效途径。近年来，随着国家大力推行预制装配化建筑以及建筑工业化，桥梁下部结构预制拼装技术得到了快速发展，国内外众多专家学者对预制桥墩、盖梁受力性能、连接方式和施工工艺等[3]展开了大量的试验和理论研究。目前，预制立柱常见连接方式有预应力筋、灌浆套筒、灌浆金属波纹管等连接形式；预制盖梁按照根据分段方式的不同分为整体式、分段式和分层式3种类型。因此，桥梁下部的预制装配化将成为今后市政桥梁建设的大趋势。

本文以福州市新店外环路西段道路工程为背景，分析市政桥梁预应力预制拼装盖梁设计要点和受力特点，以推广预制拼装盖梁技术在市政桥梁工程中的应用，并为同类型工程设计提供参考。

1 工程概况

福州市新店外环路西段道路工程位于福州市晋安区新店片区，项目起点地面辅路接龙头路、主路接绕城高速公路，终点接新店外环路东段，为城市主干路。福州市新店外环路西段道路工程与三环路(西岭互通至园中互通段)、北二通道、绕城高速(西岭互通至古城互通段)组成新店外环快速系统，对新店片区交通环境将有较大改善。

主线高架桥标准宽度为25.5 m，桥梁荷载采用城-A级荷载。主线桥上部结构主要采用钢板组合梁、钢箱梁和等高预应力混凝土箱梁；下部结构主要双柱式预制拼装框架墩，其中盖梁采用预制预应力混凝土盖梁，如图1所示。

图1 主线高架桥横断面示意图

本文主要介绍主线高架桥预制预应力混凝土盖梁的结构设计，并进行有限元模拟和受力结果分析。

2 结构设计

本文选取典型跨3 m×35 m钢板组合梁下部框架墩柱进行分析。桥墩立柱截面尺寸为1.6 m×1.6 m，均高7 m左右。盖梁在道路中心线处高1.9 m，横桥向宽25.2 m，顺桥向宽2.2 m，总重约为220 t。盖梁的构造示意图如图2所示。

图2 盖梁构造示意图(单位：cm)

盖梁的混凝土强度等级为C50，预应力钢束共布置10束，规格均为13-15Φs15.2。分两次张拉，张拉顺序按照“对称张拉，先长束后短束”的原则，待横梁湿接缝混凝土强度和弹性模量均到达100%后，先张拉第一批钢束T1、T2；待钢梁架设完毕后，张拉第二批钢束T3、T4。钢束布置形式如图3所示。

(b)剖面图3 钢束布置示意图

(a)立面

3 有限元模型

盖梁的结构计算采用有限元软件MIDAS CIVIL 2019[4]，按照A类预应力混凝土构件进行受力分析。为了更真实模拟盖梁的受力情况和边界条件，本次建模包括盖梁、立柱以及桩基础，基础采用4根直径1.2 m钻孔灌注桩基础。盖梁、立柱和桩基均采用杆系单元模拟，并在盖梁顶设置虚拟加载横梁，桩基础按照地质情况设置土弹簧模拟桩土作用。下部整体模型如图4所示，共计185个节点，174个单元。

图4 下部有限元模型

本次加载的永久作用主要包括一期恒载、二期铺装荷载，并考虑混凝土的收缩徐变作用。可变作用主要包括整体升温25℃，整体降温23℃，以及由纵向车道荷载换算的横向移动荷载。并根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)[5]中的相关规定进行效应组合、验算分析。

施工工况根据实际施工顺序进行合理划分，具体如下：

(1)墩柱及基础施工，搭设临时墩；

(2)盖梁分节段吊装安装；

(3)湿接缝施工；

(4)张拉第一批钢束(T1、T2)；

(5)拆除临时墩；

(6)架设上部钢梁；

(7)张拉第二批钢束(T3、T4)；

(8)桥面系施工。

4 计算结果分析

4.1 短暂状况(施工阶段)应力验算

提取有限元模型在施工阶段(5)～(8)中盖梁上下缘正应力计算结果，如表1所示。

表1 盖梁上下缘正应力

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)[6]中第7.2.8条，A类预应力混凝土受弯构件，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法向应力应符合下列规定：

由表1可知，盖梁在各施工阶段荷载作用下，最大压应力为16.08 MPa(施工阶段7上缘正应力)，最大拉应力为1.25 MPa(施工阶段5下缘正应力)，均小于规范限值，满足设计要求。

4.2 持久状况(使用阶段)应力验算

提取有限元模型在使用阶段的盖梁正截面法向应力和斜截面主压应力结果，分别如图5和图6所示。

(a)上缘正应力

(b)下缘正应力图5 使用阶段盖梁正截面法向应力(MPa)

图6 使用阶段盖梁斜截面主压应力(MPa)

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)[6]中第7.1.5、7.1.6条，使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土的压应力应该符合下列规定：

σkc+σpt≤0.5fck=0.5×32.4=16.2 MPa

使用阶段预应力混凝土受弯构件斜截面混凝土的主压应力应该符合下列规定：

σcp≤0.6fck=0.6×32.4=19.44 MPa

式中：σkc为作用标准值产生的混凝土法向压应力；σpt为预加应力产生的混凝土法向压应力；fck为混凝土轴心抗压强度标准值。

由图5可知，盖梁在使用阶段的最大法向正应力为15.81 MPa，小于规范限值16.2MPa；由图6可知，盖梁在使用阶段的最大斜截面主压应力为15.81 MPa，小于规范限值19.44 MPa。因此，盖梁在使用阶段的正截面混凝土的压应力和斜截面主压应力均满足规范要求。

4.3 持久状况抗裂验算

提取有限元模型在短期效应组合和长期效应组合作用下的计算结果，如图7～图8所示。

(a)上缘正应力

(b)下缘正应力

(c)主拉应力图7 盖梁正截面短期应力(MPa)

(a)上缘正应力

(b)下缘正应力图8 盖梁正截面长期应力(MPa)

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)[6]中第6.3.1条，正截面抗裂应对构件正截面混凝土的拉应力进行验算，并应该符合下列规定：

对于A类构件，在短期效应组合下，混凝土拉应力应该满足：

σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65=1.855 MPa

同时，在长期效应组合下，截面不出现拉应力；在短期效应组合下，混凝土主拉应力应该满足：

σtp≤0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa

由图7、图8可知，盖梁在短期效应组合和长期效应组合下均未出现拉应力，且主拉应力最大值为0.61MPa，均满足规范要求。

4.4 持久状况承载能力验算

盖梁在长期效应组合作用下弯矩、剪力的效应和抗力的包络图如图9所示。

(a)抗弯承载能力(kN·m)

(b)抗剪承载能力(kN)图9 承载能力包络图

其中，弯矩、剪力抗力值分别是按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)[6]中第5.2.2、5.2.9条规定计算求得。由图9可知，盖梁的抗弯和抗剪承载能力均满足规范要求。

5 结语

(1)由于高架桥盖梁的横向尺寸一般较大，一般采用横向分段形式以减少节段自重。同时，预制盖梁的节段划分应考虑施工现场吊机吊装能力和施工的便捷性。本盖梁分两节段预制吊装，节段间用湿接缝连接。

(2)本盖梁预应力钢束张拉采用分批张拉(2次)，利用有限元软件MIDAS CIVIL进行施工阶段和使用阶段仿真建模，并结合规范进行验算，盖梁的应力和承载能力均满足规范要求。

(3)该项目下部采用盖梁分节段预制拼装技术，大大减少了市政桥梁建设对周边环境的影响，并在保证施工质量的前提下减少了施工工期，有利地促进桥梁下部预制拼装技术的快速发展，对后期城市桥梁的快速化施工奠定坚实的基础。但是，当桥墩高度较高时，因吊装要求更高、施工精度控制更难，在目前技术条件下，盖梁一般仍采用现浇施工，本项技术一般适用于墩高在8 m～10 m之间。