橋梁蓋梁計算探討

彭光達(dá)

中圖分類號： U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

柱式墩臺是公路橋梁設(shè)計中普遍采用的結(jié)構(gòu)形式, 對于簡支的鋼筋混凝土橋梁, 蓋梁是其主要的受力構(gòu)件, 起著承上啟下的作用。蓋梁作為受彎構(gòu)件, 在荷載作用下除了在各個截面上引起彎矩外,同時伴隨著剪力的作用, 在彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下, 將產(chǎn)生與梁縱軸斜交的主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力。因混凝土的抗壓強度較高, 故一般蓋梁的截面尺寸不會由于主壓應(yīng)力而引起破壞。但當(dāng)主拉應(yīng)力較大時, 則可能使構(gòu)件沿著垂直于主拉應(yīng)力方向產(chǎn)生斜裂縫, 并導(dǎo)致蓋梁沿斜截面發(fā)生破壞。因此, 鋼筋混凝土蓋梁除應(yīng)進(jìn)行正截面強度計算外,需對彎矩和剪力同時作用的區(qū)段, 進(jìn)行斜截面強度計算。

1蓋梁的計算方法

1.1計算手段

（1） 傳統(tǒng)的蓋梁計算方法

活載橫向簡化: 汽車偏載時采用剛性橫梁法,汽車對稱布載時采用杠桿法。

活載縱向簡化: 將多跨連續(xù)梁簡化成2 跨簡支梁進(jìn)行計算。

計算煩瑣且復(fù)雜, 不建議采用手工計算。

（2） 利用橋梁通進(jìn)行蓋梁計算

對于普通鋼筋混凝土蓋梁可直接采用橋梁通軟件進(jìn)行蓋梁內(nèi)力計算及構(gòu)件驗算。預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁可借助橋梁通軟件獲取蓋梁上支座反力,然后利用其它有限元軟件進(jìn)行受力分析。橋梁通軟件的蓋梁計算原理同傳統(tǒng)的計算方法基本一致。

（3）利用平面單元進(jìn)行蓋梁計算

采用橋梁博士進(jìn)行蓋梁計算, 其計算原理為:提取縱橋向單車道荷載作用下的支座反力, 將其等效為汽車荷載, 利用橋梁博士的橫向加載功能進(jìn)行分析計算。

這種方法有一定的局限性, 特別是對于現(xiàn)澆箱梁下蓋梁的計算不盡合理。

（4）利用空間分析進(jìn)行蓋梁計算

蓋梁計算存在諸多假設(shè), 為了較好地分析一些特殊形式蓋梁的受力特性, 我們有時需要進(jìn)行一些空間實體分析。實際上, 蓋梁的計算過程就是如何準(zhǔn)確地獲取若干組控制反力的過程。

1.2 計算原理

（1） 根據(jù)荷載橫向分布進(jìn)行離散計算

目前工程上采用的計算方法多為離散計算方法。這種方法的基礎(chǔ)源于橫向分布計算, 因此選擇合適的橫向分布理論至關(guān)重要。目前的方法有: 剛性橫梁法( 偏心受壓法) 、杠桿法、剛接板法、鉸接板法、正交異性板法。

（2） 梁格理論等空間分析理論

這里簡單介紹一下梁格理論。梁格法從目前的應(yīng)用來看效果并不是很好。梁格法與空間實體有限元相比建模簡單, 但對設(shè)計者的要求較高。采用3D- BSA 軟件進(jìn)行空間桿系計算比較方便。采用MIDAS 或ANSYS 來構(gòu)建梁格往往誤差較大。

采用橋梁博士進(jìn)行梁格計算是錯誤的。

1.3 蓋梁計算的控制因素

（1） 預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉批次

每個蓋梁的計算都是完整和獨立的, 因此施工階段的計算也尤為重要。從施工的角度出發(fā),預(yù)應(yīng)力張拉批次越少越有利。張拉批次盡量不要超過2 次, 否則會給施工帶來不便。如果采用2次張拉, 2 次張拉鋼束量的比例是一個重要的控制指標(biāo)。

（2）施工階段控制應(yīng)力

施工階段控制應(yīng)力和正常使用階段控制應(yīng)力是密切相關(guān)的。正常使用階段的應(yīng)力控制程度直接影響到施工階段的應(yīng)力好壞。蓋梁設(shè)計往往由施工階段應(yīng)力控制。我們既要保證正常使用階段應(yīng)力滿足規(guī)范要求, 又要保證架設(shè)預(yù)制梁和成橋時蓋梁混凝土不被拉壞。蓋梁的施工控制應(yīng)力直接決定預(yù)應(yīng)力束的布束形式和預(yù)應(yīng)力的張拉批次。

（3）蓋梁的強度驗算( 彎剪扭)

強度驗算對應(yīng)的是承載力極限狀態(tài)設(shè)計法。應(yīng)力驗算對應(yīng)的是正常使用極限狀態(tài)設(shè)計法。兩種方法基于不同的概率設(shè)計水平。應(yīng)力通過或混凝土不開裂不能保證結(jié)構(gòu)強度滿足要求。蓋梁的強度計算不同于一般縱梁, 大多數(shù)蓋梁為淺梁, 有時也會出現(xiàn)深梁和普通受彎構(gòu)件。普通受彎構(gòu)件和深受彎構(gòu)件的彎剪計算公式是不同的。深受彎構(gòu)件的受剪效應(yīng)比較突出。由于蓋梁寬度按構(gòu)造擬定, 抗扭能力比較強, 所以一般很少進(jìn)行蓋梁抗扭計算。注意懸臂部分強度驗算的特殊性。

1.4 蓋梁的設(shè)計思路

（1） 支座的布置

好的設(shè)計是在滿足設(shè)計目的的基礎(chǔ)上盡量避免難題的發(fā)生, 而不是把難題解決得如何好。在現(xiàn)澆蓋梁的設(shè)計中, 這一點表現(xiàn)得很突出。現(xiàn)澆梁的支座間距應(yīng)同時兼顧蓋梁、橫梁的受力。當(dāng)支座布置于蓋梁柱附近時可以減少鋼束, 降低設(shè)計難度。

（2）墩柱間距的確定

蓋梁墩柱間距的確定有時受橋下控制因素的制約。單從受力角度來講, 墩柱間距同懸臂長度有一定的關(guān)系。對于大懸臂蓋梁, 墩柱間距一般比較小。墩柱間距過小, 墩柱數(shù)量過多, 超靜定次數(shù)過多, 溫度荷載下墩柱受力不利。

(3) 避免在匯流端設(shè)計蓋梁

在一些項目中我們出于控制造價的原因, 把很多現(xiàn)澆箱梁改為預(yù)制箱梁, 結(jié)果造成匯流端大蓋梁的誕生。這種大蓋梁同時承受由現(xiàn)澆變寬橋、預(yù)制箱梁、匝道箱梁支座傳力, 受力較為復(fù)雜, 對施工單位約束較多, 同時從美觀的角度來講比較難看。因此, 不建議采用大蓋梁。

(4)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的布置

預(yù)應(yīng)力鋼絞線的布置最能發(fā)揮設(shè)計人員的主觀能動性。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的線形、張拉方式、鋼絞線型號的選擇對蓋梁的受力及張拉批次有很大的影響。

1.5 蓋梁計算實例

工程概況：本橋梁位于104國道改擴(kuò)建工程K3+972南排干橋渠處，跨徑為3×13 m后張預(yù)應(yīng)力空心板橋。橋臺為樁柱式橋臺?，F(xiàn)通過橋梁通對該橋臺蓋梁進(jìn)行分析如下：蓋梁寬1.4m，跨中高度1.1m，端部高度1.1m，右偏角為120°。蓋梁按連續(xù)梁計算，蓋梁結(jié)構(gòu)簡圖如下圖：

2.荷載取值

①恒載：各板自重產(chǎn)生支反力反向加載至蓋梁上，二期恒載按平均分布于各

板上計算。

②橫向分布系數(shù)：活載橫向分布系數(shù)采用左右偏載按偏心受壓法，對稱布置

采用杠桿法。

③沖擊系數(shù)：16m 板沖擊系數(shù)為1.26。

④活載加載：采用車道荷載及車輛荷載分別按雙孔加載、單孔加載計算，按

最不利情況，求出支點最大反力。

3.蓋梁復(fù)核計算

①持久狀況極限承載能力驗算：

經(jīng)計算最不利組合下彎矩包絡(luò)圖及蓋梁承載力校核圖如下：

蓋梁承載力校核圖

可以看到，本橋蓋梁極限承載力滿足規(guī)范要求，并有適當(dāng)安全儲備。

②正常使用階段抗裂驗算：

規(guī)范要求長期效應(yīng)作用下混凝土裂縫寬度應(yīng)小于0.2mm，按照裂縫控制配筋

驗算校核圖如下圖所示，可以看出均滿足規(guī)范要求。

蓋梁裂縫驗算校核圖

③斜截面抗剪驗算：

計算時按混凝土和箍筋承擔(dān)剪力的80%計算，各截面抗剪驗算如下表所示。

表1 梁板作用截面抗剪驗算

斜截面 水平投影長度cm 4.7 35.6 36 6.7 33.6 102.8 169.9 62.4 24.6 24.6

由表中結(jié)果可知，混凝土截面及箍筋可提供的抗剪力已大于組合剪力。蓋梁主要結(jié)論綜上，蓋梁持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算、抗剪驗算、抗裂驗算均滿足，規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳宏俊，余培玉.基于法國規(guī)范的橋梁蓋梁設(shè)計示例[J].公路，2008, (9); 199-204

[2] 范丙臣. 蓋梁的設(shè)計與計算 [J]城市道橋與防洪。