大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

■蔡志超

（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福州 350108）

0 引言

目前，城市高架橋的建設(shè)除了考慮安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀等要求外[1]，還要盡可能的少占用城市用地。考慮到城市建設(shè)用地緊張，要在規(guī)劃紅線范圍內(nèi)盡可能的利用空間，尤其在主線布設(shè)大量高架橋的情況下，更應(yīng)該充分利用主線高架橋的橋下空間進(jìn)行布設(shè)輔路。同時(shí)，在當(dāng)前大力推行構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化施工的趨勢下，高架橋標(biāo)準(zhǔn)段采用大懸臂蓋梁接預(yù)制小箱梁作為推薦方案具有著顯著的優(yōu)勢。大懸臂蓋梁接預(yù)制小箱梁施工周期短、造價(jià)低、施工質(zhì)量易于控制，結(jié)構(gòu)的整體性好、梁高小且外觀美，橋下空間大，占地面積小，特別適用于架設(shè)大量高架橋且施工時(shí)間緊張的工程。

1 工程概況

東南快速通道為福州濱海新城規(guī)劃的“兩縱五橫”快速公路網(wǎng)中的橫向骨架道路，項(xiàng)目地處長樂，起于道慶洲大橋長樂側(cè)，經(jīng)營前、首占、古槐、文武砂，至濱海新城核心區(qū)，主線全長約15.3km，其中主線高架橋總長約10.1km，橋梁占比66%。本工程的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：主線道路等級(jí)為一級(jí)公路兼城市快速路，雙向八車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為80km/h；輔路為城市次干路，設(shè)計(jì)時(shí)速為40km/h；設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)兼城-A級(jí)，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。

2 設(shè)計(jì)方案

橋墩蓋梁的設(shè)計(jì)須考慮受力、功能、經(jīng)濟(jì)、施工技術(shù)和管理等因素，尤其考慮與上部構(gòu)造中梁的外形及周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的問題，做到美觀輕巧、與周邊環(huán)境和諧勻稱，盡量少占地，保證良好的通視條件，使橋下行人舒適。在保證墩柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，同時(shí)考慮到與箱梁斷面形式相匹配。本工程主線橋采用35m的標(biāo)準(zhǔn)跨徑，其橋墩及蓋梁設(shè)計(jì)如圖1形式。

圖1 17m寬大懸臂蓋梁接預(yù)制小箱梁橫斷面圖（單位：cm）

主線高架橋橋?qū)?7m，上部結(jié)構(gòu)采用6片預(yù)制連續(xù)小箱梁，梁高1.8m，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式預(yù)應(yīng)力砼大懸臂蓋梁，懸挑長度為4.5m，“工”字形承臺(tái)，雙排樁。

預(yù)應(yīng)力砼大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力布置圖如圖2。

圖2中數(shù)字編號(hào)代表預(yù)應(yīng)力張拉順序，總共分為三次張拉?？紤]到小箱梁吊裝順序?qū)Υ髴冶凵w梁各個(gè)截面受力有影響，同時(shí)也為了降低施工難度，本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)制小箱梁不對(duì)稱吊裝下大懸臂蓋梁都能滿足承載力要求。施工順序如下：

（1）墩柱施工完成并達(dá)到強(qiáng)度要求后，搭設(shè)蓋梁支架和模板，綁扎蓋梁鋼筋，布置蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束，澆筑蓋梁混凝土。蓋梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%且養(yǎng)護(hù)齡期不小于7天，張拉第一批鋼束，即 T1-B、T1-C、T2-B、T2-C 和 T3-C。

（2）從蓋梁左邊至右邊小樁號(hào)側(cè)小箱梁編號(hào)分別為A-1～A-6，架設(shè)這6片小箱梁位置不分先后以減小施工難度。

圖2 大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力布置圖（單位：cm）

（3）張拉第二批鋼束，即 T1-A、T1-D、T3-B 和 T3-D。

（4）從蓋梁左邊至右邊大樁號(hào)側(cè)小箱梁編號(hào)分別為B-1～B-6，架設(shè)這6片小箱梁位置也不分先后以減小施工難度。

（5）張拉第三批鋼束，即 T3-A、T2-A、T2-D 和 T3-E。

3 計(jì)算模型分析

采用橋梁設(shè)計(jì)軟件Midas/Civil進(jìn)行空間模型建立，其中蓋梁劃分為18個(gè)梁單元，雙柱式橋墩根據(jù)實(shí)際高度劃分為8個(gè)梁單元，預(yù)應(yīng)力鋼絞線均采用15-Φs15.2，墩底進(jìn)行固結(jié)，如圖3。

圖3 17m橋?qū)掝A(yù)應(yīng)力砼大懸臂蓋梁Midas Civil模型

施工工況根據(jù)實(shí)際施工工序進(jìn)行劃分：（1）搭設(shè)支架蓋梁墩柱成形；（2）張拉第一批鋼束；（3）拆除施工支架最不利架橋機(jī)荷載施加 架設(shè) 第一孔小箱梁；（4）張拉第二批鋼束；（5）架橋機(jī)荷載施加 架設(shè)第二孔小箱梁；（6）張拉第三批鋼束；（7）架橋機(jī)拆除，橋面系施工。提取各個(gè)工況中分三次張拉預(yù)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如下圖4所示：

圖4 不對(duì)稱吊裝各工序下預(yù)應(yīng)力混凝土大懸臂蓋梁計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 截面邊緣混凝土的法向容許應(yīng)力

施工階段在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件重力等施工荷載作用下，截面邊緣混凝土 （凝土強(qiáng)度等級(jí)C50）的法向容許應(yīng)力為：

壓應(yīng)力：0.70fck′=0.70×0.85×32.4=19.3MPa

拉應(yīng)力： 0.70ftk′=0.70×0.85×2.65=1.58MPa

由圖4可知，大懸臂蓋梁張拉完第一批預(yù)應(yīng)力鋼束最大壓應(yīng)力為7.4MPa，墩柱最大壓應(yīng)力為3.0MPa；第二批預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完最大壓應(yīng)力為9.5MPa，墩柱最大壓應(yīng)力為3.7MPa；第三批預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完最大壓應(yīng)力為14.9MPa，墩柱最大壓應(yīng)力為5.4MPa；成橋階段最大應(yīng)力為14.4MPa，墩柱最大壓應(yīng)力為5.2MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4.2 正常使用極限狀態(tài)的抗裂驗(yàn)算

在構(gòu)件重力、預(yù)應(yīng)力、溫度等作用下，按短期效應(yīng)組合和長期效應(yīng)組合進(jìn)行正截面、斜截面的抗裂性驗(yàn)算，各階段容許應(yīng)力分別為：

A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，短期效應(yīng)組合下的正截面混凝土的拉應(yīng)力：

現(xiàn)場澆筑構(gòu)件：0.70ftk′=0.70×2.65=1.855MPa

A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，長期效應(yīng)組合下的正截面混凝土不產(chǎn)生拉應(yīng)力；

A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，短期效應(yīng)組合下的斜截面混凝土的主拉應(yīng)力：

砼強(qiáng)度等級(jí) C50 0.50ftk′=0.50×2.65=1.325MPa

由計(jì)算結(jié)果可知，短期和長期效應(yīng)組合下的正截面混凝土均不產(chǎn)生拉應(yīng)力。

短期效應(yīng)組合下的斜截面混凝土最大拉應(yīng)力為0.72MPa，小于容許拉應(yīng)力1.325MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4.3 正常使用極限狀態(tài)的壓應(yīng)力驗(yàn)算

使用階段在構(gòu)件重力、預(yù)應(yīng)力、溫度等作用下，正截面混凝土的法向壓應(yīng)力和斜截面混凝土的容許主壓應(yīng)力[2-3]為：

受壓壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力：0.50fck=0.50×32.4=16.2MPa

砼主壓應(yīng)力：0.60fck=0.60×32.4=19.44Pa

由計(jì)算結(jié)果可知，使用階段下正截面混凝土的法向壓應(yīng)力最大為13.1MPa，小于容許壓應(yīng)力16.2MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；使用階段下斜截面混凝土的主壓應(yīng)力最大為13.1MPa，小于容許壓應(yīng)力19.44MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 結(jié)論

針對(duì)本項(xiàng)目主線高架設(shè)計(jì)采用大懸臂蓋梁接預(yù)制小箱梁，并進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力砼大懸臂蓋梁施工過程中各個(gè)工序的模擬和計(jì)算分析：預(yù)應(yīng)力砼大懸臂蓋梁采用三次分開張拉預(yù)應(yīng)力，在預(yù)制小箱梁不對(duì)稱吊裝的情況下大懸臂蓋梁的應(yīng)力均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，為箱梁吊裝施工提供了可靠的指導(dǎo)性方案。