城市高架橋寬幅預應力蓋梁優(yōu)化設計分析

洪啟偉

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710000）

1 工程背景

某高速公路在城區(qū)段選擇使用主輔路高架橋，主路標準路段整幅寬33.5 m，輔路標準路段兩幅寬2×16.5 m。主路和輔路的路幅寬度較大，但現場建設空間有限，易受到現場用地紅線、基本農田保護界線等因素限制，為減少占地面積，輔路的大部分行車凈空設在主路高架橋下方。

2 寬幅預應力蓋梁的設計概述

蓋梁能夠為橋梁上部結構提供支承，構成一條力的傳遞途徑，實現上部荷載向下部結構的傳遞，考慮受力穩(wěn)定性的要求，常采用預應力混凝土蓋梁。為充分發(fā)揮蓋梁在受力等方面的優(yōu)勢，需要緊扣工程實際環(huán)境，做好優(yōu)化設計工作，切實提高蓋梁設計方案的可行性。

城市土地資源有限，道路建設常受限于自然資源條件，城市交通流量日益增加，存在車輛通行要求高而道路服務能力低的矛盾局面。

為緩解城市交通擁堵問題，城市快速路的建設工作常采用主輔路相結合的高架橋形式，以減少占地面積。主輔路需要有足夠的路幅寬度，工程建設中應考慮橋下通行空間的要求，設計難度較大。近年來，大懸臂預應力蓋梁結合預制小箱梁方案的應用頻率逐步提高，是主輔路寬幅高架橋建設受限問題的關鍵突破口。

在寬幅小箱梁高架橋的結構組成中，預應力大蓋梁是不容或缺的構件，具有承上啟下的作用，該部分的受力條件相對比較復雜，需要保證蓋梁結構的合理性，營造良好的受力條件。

預應力鋼束的張拉時機容易對蓋梁的實際使用效果造成影響，出現應力的大幅度波動、橋幅變寬時，多柱式橋墩蓋梁的框架效應明顯，均是高架橋寬幅預應力蓋梁優(yōu)化設計中需著重考慮的內容[1]。

懸臂蓋梁如圖1所示。

圖1 懸臂蓋梁

3 寬幅蓋梁構造

3.1 整幅雙柱大懸臂蓋梁

受用地紅線、既有城區(qū)樓宇等多重因素的限制，標準段主輔路的總占地寬度相對有限，約為50 m，必須將輔路的多數行車空間規(guī)劃在高架橋下，以適應現場的空間特點。在整幅雙柱大懸臂蓋梁的設計中，蓋梁墩頂負彎矩處為受力最不利的區(qū)域，需要減小蓋梁懸臂值，但不可為了滿足受力層面的要求過度減小該值，導致壓縮高架橋下方輔路行車凈空。

本項目橋墩樁柱間距14.5 m，蓋梁懸臂取8.775 m，進一步計算確定蓋梁的寬度、高度均為2.4 m，施工材料選用強度等級為C50的混凝土。

整幅雙柱墩構造如圖2所示。

圖2 整幅雙柱墩構造（單位：mm）

3.2 整幅三柱大懸臂蓋梁

對主路出入口單側進行加寬后，整幅橋寬為44.1 m，主輔路總寬約55.5 m。在此情況下，簡單加長蓋梁懸臂的方式已不能滿足橋面的變寬需求，應當增加墩柱，減小蓋梁懸臂長度。

增加1個柱子，變寬側蓋梁取4.275～5.875 m，間距設為14.0 m，有序設置各橋墩墩柱，可以有效保證橋下輔路汽車道的順直性。本工程后續(xù)施工期間未將承臺系梁設置在輔路行車道下方位置，可以確保橋墩承臺處輔路路基不會出現沉降不均的質量問題。

3.3 分幅四柱門架蓋梁

輔道的6個車道需規(guī)劃在高架橋下方，主輔路總寬約為59.25 m，整幅高架橋寬為51.4 m，墩柱增加至4個，墩柱間距為14.5 m，蓋梁懸臂長度根據實際情況確定，最終確定為3.50～6.25 m，此種優(yōu)化設計方式能夠有助于減小墩柱間距和蓋梁懸臂。

適當調整輔路的3個行車道的位置，設在左右幅橋自身墩柱間，統(tǒng)一在墩柱外側規(guī)劃非機動車道以及人行道，減小土地占用面積。

4 蓋梁優(yōu)化設計的具體要點

4.1 墩柱與蓋梁連接時的倒角優(yōu)化設計

墩柱頂與蓋梁兩部分需要形成連接關系，通常選擇直角連接方法，為了保證節(jié)點部位受力的合理性，在原基礎上增設倒角銜接。

考慮節(jié)點處蓋梁、墩柱受力可靠性的要求，提出3種倒角方案，分別為1 m×1 m直面倒角（倒角A）、半徑1 m的圓弧倒角（倒角B）、半徑3 m的圓弧倒角（倒角C）。對比分析發(fā)現，倒角A具有施工便捷的特點，但視覺感較為生硬，橋梁的美觀性難以得到保證；倒角B較為順滑、形態(tài)良好，但小半徑曲面的展開延伸幅度有限，難以與大尺寸的蓋梁相協調；倒角C采用大半徑曲面的結構，能夠與大尺寸的墩梁、蓋梁相協調，具有突出的受力穩(wěn)定性，將其作為最終的倒角連接方案。

4.2 三柱式蓋梁的約束優(yōu)化設計

墩柱與蓋梁連接一體常采用固結方式，但本工程的三柱式橋墩蓋梁尺寸大、剛度大，若墩頂處均選用墩梁固結的方案，產生的超靜定框架效應較強，受溫度、不均勻沉降等多重因素影響，蓋梁和墩柱有較強拉應力，受拉效應明顯[2]。對既有固結方法進行優(yōu)化，蓋梁懸臂較短一側采用支座連接的方法（不再固結約束），釋放橋墩和蓋梁的轉角約束，削弱框架效應的同時，減小橋墩蓋梁的剛度，實現對蓋梁以及墩身受力條件的有效優(yōu)化，有助于保證蓋梁以及墩身的受力穩(wěn)定性[3]。

4.3 四柱蓋梁的優(yōu)化設計

對于主路出入口跨輔路平交口的兩側加寬路段，若下部采用整體式蓋梁結構，存在蓋梁尺寸明顯偏大的局限性，寬度可達到50 m，適配的墩柱數量需要增加至4個，可以釋放兩邊柱的轉角約束，但剩余柱的頂部固結部位的拉應力仍存在異常。經過優(yōu)化設計，不再采用整體式寬幅蓋梁的方案，改用分幅式門架蓋梁可以有效減少約束，削弱框架效應，框架結構的穩(wěn)定性得到保障，不會由溫度荷載的變化以及不均勻沉降的出現導致異常失穩(wěn)。

4.4 蓋梁懸臂底部的槽口優(yōu)化設計

本工程中，寬幅蓋梁具有懸臂長度較大、墩頂負彎矩較明顯的特征，應對其受力條件進行改善，必須設置更多的鋼束。但該方式在本工程中不可取，本工程變高蓋梁的梁端錨固空間十分有限，不利于鋼束的正常布置。采取在懸臂蓋梁底開設貫通槽口的方案，會導致槽口根部存在明顯的應力集中現象，在力的作用下開裂[4]。

應進行優(yōu)化設計，將梁端加高20 cm作為錨固區(qū)，此時無須設置第一個槽口；優(yōu)化鋼束數量較少的一排，對其位置進行調整，置于最底層；由貫通開槽轉為非貫通的形式；合理組織混凝土澆筑作業(yè)，盡可能使混凝土蓋梁施工能夠一次澆筑成型。

5 建模及分析

5.1 建模

寬幅蓋梁的受力形式主要為彎矩、剪力、軸力，根據其受力特點，利用橋博有限元軟件構建蓋梁、橋墩、基礎等構件的下部梁單元模型，反映橋墩框架的剛度特性。建立虛擬上部主梁和連接支座，更好地分析上部小箱梁及汽車荷載的分配特性。

5.2 荷載分析

寬幅蓋梁運營階段的荷載類型頗多，包括結構自身的恒載、上部恒載、汽車活載、溫度荷載等。對上部小箱梁進行縱向計算，采用連續(xù)墩的結構時，蓋梁所受上部恒載相對較大，上部活載較小；采用交接墩的結構形式時，受力特點恰好相反。溫度荷載或其他形式的荷載主要影響多柱式超靜定橋墩蓋梁，該類結構的框架效應較強[5]。

寬幅蓋梁墩頂負彎矩較大，須設置較多的預應力鋼束，結合各道工序的施工順序分析發(fā)現，尚未架設上部梁片時，受預應力的作用，蓋梁底緣處可能存在明顯的開裂問題。進行過模擬分析，對預應力鋼束的張拉順序進行調整，張拉最底層鋼束，條件允許時盡快組織槽口混凝土的澆筑作業(yè)，減小梁底槽口對蓋梁的影響。

5.3 梁片架設時的荷載分析

上部預制小箱梁的架設采取機械為主、人工為輔的方案，由人工操作架橋機，逐孔、逐片依次完成架設工作。為了保證梁片架設的安全性以及最終的架設質量，模擬分析梁片架設過程，考慮架設第N孔和第N+1孔時蓋梁所受的影響。荷載控制方面，前支點、后支點施工的荷載分別為2×250、2×450 kN，除了考慮荷載，還應兼顧架橋機在做出橫向移動后蓋梁的實際情況。

6 結語

城市高架橋是城市交通基礎設施建設領域的重點，在橋梁結構選型中，通?？紤]預應力蓋梁結構，其能夠兼顧橋面行車寬度和橋下凈空的雙重要求，但需要注重對受力條件、結構尺寸等方面進行優(yōu)化設計。本文提出寬幅預應力蓋梁優(yōu)化設計的關鍵要點，以期為相關項目提供參考。