大懸臂蓋梁Π型墩蓋梁設(shè)計(jì)與施工過(guò)程分析研究

鐘帆

摘 要：本文結(jié)合莞番高速厚街高架橋標(biāo)準(zhǔn)段大懸臂蓋梁Π型墩構(gòu)造，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁進(jìn)行計(jì)算分析，總結(jié)大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的設(shè)計(jì)思路及注意事項(xiàng)。蓋梁結(jié)構(gòu)受多種控制因素影響，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮施工階段、運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)受力性能及剛度的需求，尤其是墩頂處蓋梁受力復(fù)雜，合理選擇懸臂尺寸及鋼束布置形式可以最大化此處的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，減小結(jié)構(gòu)尺寸、節(jié)約造價(jià)。同時(shí)計(jì)算分析中應(yīng)采用合理的預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序及架梁順序，以確保結(jié)構(gòu)施工安全。

關(guān)鍵詞：大懸臂蓋梁Π型墩;空間受力;施工過(guò)程模擬

1 概述

莞番高速是《廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》（2004～2030）中編號(hào)S18的加密線，是東莞市“一環(huán)六縱三橫”主干線的第三橫。

莞番高速西連南沙大橋，東接河惠莞高速，經(jīng)厚街鎮(zhèn)處線位與富民路重合，受現(xiàn)狀厚街富民路寬度限制，橋梁采用在富民路上高架的主線橋方案。

共線段橋梁設(shè)計(jì)充分利用橋下輔道中分帶的寬度，提出大懸臂蓋梁Π型墩的構(gòu)思。相較于傳統(tǒng)三柱式雙層框架墩，大懸臂蓋梁中央墩，受力明確，傳力清晰，行車(chē)視野好，同時(shí)橋墩位于中分帶，橋下空間得以充分利用，并可有效減少跨越被交路處跨徑。

相較于常規(guī)下部結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目蓋梁邊緣距墩中心距離12.9 m，為減小蓋梁結(jié)構(gòu)高度，采用了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，蓋梁設(shè)計(jì)是大懸臂蓋梁Π型墩的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與重點(diǎn)。本文選取其中標(biāo)準(zhǔn)段的典型蓋梁，簡(jiǎn)要介紹大懸臂蓋梁Π型墩中蓋梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 蓋梁構(gòu)造

根據(jù)上部預(yù)制小箱梁的跨徑不同，大懸臂蓋梁Π型墩蓋梁尺寸不同，根據(jù)設(shè)計(jì)比選，較為經(jīng)濟(jì)的跨徑選擇為25 m、30 m。本文選取30 m標(biāo)準(zhǔn)段下部進(jìn)行介紹。

2.1 蓋梁構(gòu)造尺寸

標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁全寬31.7 m，柱間距5.9 m，蓋梁懸臂端部至墩柱中心距離為12.9 m。蓋梁采用變高矩形截面，順橋向厚度2.2 m，根部高度3.5 m，懸臂高度1.7 m。橋墩采用圓形墩，墩柱直徑2.1 m，主要尺寸見(jiàn)圖2-1。

蓋梁采用C50混凝土，墩柱采用C35混凝土。

2.2 蓋梁預(yù)應(yīng)力體系

按A 類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行蓋梁設(shè)計(jì)，蓋梁內(nèi)交錯(cuò)布置20根15-15型預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束布置圖如2-2 所示。

根據(jù)大懸臂蓋梁的受力特性，墩頂區(qū)域是其設(shè)計(jì)控制點(diǎn)，采用交錯(cuò)布置、單端張拉的鋼束布置，可以最大限度的在墩頂上緣布置最多的預(yù)應(yīng)力鋼束，從而減小結(jié)構(gòu)高度。

3 施工方案

大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁支架采用鋼管樁+型鋼分配梁方案，在承臺(tái)上設(shè)置4根φ800×8 mm鋼管。鋼管樁兩側(cè)采用斜撐形式進(jìn)行延伸，斜撐由撐桿和分配梁組成，與鋼管樁采用銷(xiāo)接進(jìn)行連接。管樁及斜撐頂設(shè)置分配梁及底模。

大懸臂蓋梁鋼管樁+型鋼支架使用前先進(jìn)行預(yù)壓，蓋梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa后，拆除蓋梁側(cè)模。

蓋梁預(yù)應(yīng)力分兩次張拉，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以后進(jìn)行第一次張拉。首次預(yù)應(yīng)力張拉完成后，拆除支架。首先依次抽出桁架、分配梁，然后自上而下依次拆除斜撐、連接系、鋼管立柱。支架拆除后堆碼整齊，使用平板車(chē)運(yùn)至下一蓋梁施工。

待梁體架設(shè)完成后，進(jìn)行蓋梁第二次預(yù)應(yīng)力張拉，將剩余預(yù)應(yīng)力全部張拉完成并及時(shí)壓漿、封錨。

4 蓋梁計(jì)算

采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模計(jì)算。

4.1 荷載取值

恒載：恒載主要包括上部預(yù)制小箱梁自重，橋面鋪裝、護(hù)欄等二期重量。

活載：公路一級(jí)荷載，車(chē)道按最不利位置加載。

溫度作用：考慮整體升降溫25℃。

風(fēng)載：由于該共線段兩側(cè)多為房屋住宅，橋梁受風(fēng)荷載作用效應(yīng)較小，不控制設(shè)計(jì)。

制動(dòng)力：按照規(guī)范要求考慮。

施工階段荷載：主要包含架橋機(jī)重量及運(yùn)梁車(chē)運(yùn)梁經(jīng)過(guò)的荷載。此荷載主要影響不同預(yù)應(yīng)力分批張拉的先后順序。

4.2 計(jì)算分析

在基本組合作用下，蓋梁抗彎及抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求，其中抗彎承載能力安全系數(shù)1.2，抗剪承載能力安全系數(shù)1.4。

控制大懸臂蓋梁設(shè)計(jì)的主要還是抗裂驗(yàn)算，包含施工過(guò)程短暫狀態(tài)抗裂及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)抗裂設(shè)計(jì)兩部分。

在粵贛高速交通事故發(fā)生后，橋梁結(jié)構(gòu)在超載車(chē)作用下的安全儲(chǔ)備，成為了必須考慮的課題。本文模擬實(shí)際中有可能發(fā)生的極端情況進(jìn)行分析計(jì)算，即上部最外側(cè)布置一列重車(chē)車(chē)隊(duì)（即超載車(chē)荷載，根據(jù)粵贛高速交通事故中出現(xiàn)的重車(chē)稱(chēng)重，偏于安全的取為120噸/輛），其余車(chē)道車(chē)輛按規(guī)范正常加載。

4.2.1 正常使用極限狀態(tài)正截面抗裂驗(yàn)算

正常使用極限狀態(tài)下，蓋梁抗裂驗(yàn)算結(jié)果如圖。在重車(chē)滯留于最左側(cè)車(chē)道的工況（重車(chē)分項(xiàng)系數(shù)取1），頻遇組合作用下，蓋梁上緣正好無(wú)拉應(yīng)力，最不利位置處于重車(chē)滯留側(cè)墩頂;蓋梁下緣同樣無(wú)拉應(yīng)力，最不利位置處于蓋梁懸臂端部N2鋼束錨固結(jié)束后的局部。

4.2.2 短暫狀況應(yīng)力計(jì)算

施工階段，上部架梁順序及蓋梁鋼束張拉順序?qū)ιw梁應(yīng)力影響很大，由于鋼束集中于蓋梁上緣，第一批預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)多會(huì)導(dǎo)致蓋梁下緣拉應(yīng)力過(guò)大，張拉過(guò)少則不能完成一次性架梁。

考慮到盡可能采用一次性架梁節(jié)約工期，預(yù)應(yīng)力鋼束分兩批張拉以滿足施工階段受力需要，模擬分析分5個(gè)施工階段：

（1）澆筑蓋梁，張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束;（2）一次性架梁（同時(shí)激活左右幅、相鄰兩跨上部一期荷載）;（3）張拉第二批預(yù)應(yīng)力鋼束;（4）施加濕接縫、橋面系等荷載;（5）10年運(yùn)營(yíng)階段。

如圖所示，施工階段三個(gè)控制性階段最大拉應(yīng)力分別為0.6 MPa、0.7 MPa、0.7 MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.2.3 撓度驗(yàn)算

活載作用下，主梁撓跨比對(duì)行車(chē)舒適性有較大影響。相較于常規(guī)蓋梁，大懸臂蓋梁Π型墩在活載作用下會(huì)出現(xiàn)較大的豎向撓度，該撓度主要由兩部分效應(yīng)組成：大懸臂蓋梁本身變形產(chǎn)生的撓度;由于中央墩墩間距較小引起的墩頂橫向轉(zhuǎn)角較大，進(jìn)而導(dǎo)致蓋梁懸臂處有較大豎向撓度。

蓋梁豎向撓度及對(duì)于撓跨比見(jiàn)下表。其中撓跨比計(jì)算中，撓度值考慮了C50混凝土撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)1.425?？鐝饺∩w梁懸臂到墩邊緣的凈懸臂長(zhǎng)度，即11.85 m。

5 蓋梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)以上驗(yàn)算結(jié)果，可以看到控制蓋梁尺寸及預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)主要由以下幾方面控制：

（1）蓋梁端部豎向撓度大小，控制了大懸臂蓋梁懸臂尺寸的選擇;

（2）蓋梁抗彎、抗剪承載能力，控制了大懸臂蓋梁寬度及根部高度的選擇;

（3）第一次張拉預(yù)應(yīng)力的數(shù)量及布置，應(yīng)同時(shí)滿足張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)蓋梁根部下緣不產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力，且架設(shè)上部小箱梁后，蓋梁上緣不產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力;

（4）第二次張拉預(yù)應(yīng)力的數(shù)量及布置，應(yīng)同時(shí)滿足張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)蓋梁根部下緣不產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力，且營(yíng)運(yùn)階段，蓋梁上緣不產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力;

（5）對(duì)于大懸臂蓋梁，應(yīng)特別注意超載車(chē)作用下的安全儲(chǔ)備，營(yíng)運(yùn)階段設(shè)計(jì)建議考慮最外側(cè)車(chē)道為超載車(chē)作用下的設(shè)計(jì)工況;

（6）預(yù)應(yīng)力線形設(shè)計(jì)直接影響蓋梁斜截面抗裂，盡可能的將預(yù)應(yīng)力下彎束分布均勻可以有效的減小蓋梁主拉應(yīng)力。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）大懸臂蓋梁Π型墩充分利用地面輔道中央分隔帶處的空間，避免了設(shè)置邊墩對(duì)周?chē)h(huán)境、行車(chē)視野等的干擾; （2）為減小結(jié)構(gòu)尺寸，單端交錯(cuò)張拉的預(yù)應(yīng)力設(shè)置方式，可以使得墩頂處的預(yù)應(yīng)力布置盡可能的密集，最大化預(yù)應(yīng)力效應(yīng);

（3）大懸臂蓋梁Π型墩預(yù)應(yīng)力布置均偏向于蓋梁上緣。在施工過(guò)程中，可以看到上下緣應(yīng)力均控制設(shè)計(jì)。必須充分考慮施工階段中的各項(xiàng)臨時(shí)荷載。過(guò)高或過(guò)低的估計(jì)施工荷載，都可能造成上緣或者下緣在施工階段中產(chǎn)生拉應(yīng)力。合理的選擇預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序，可以實(shí)現(xiàn)一次落梁，簡(jiǎn)化施工流程;

（4）蓋梁計(jì)算除了滿足規(guī)范要求的抗裂抗壓驗(yàn)算、承載能力驗(yàn)算之外，應(yīng)著重注意蓋梁剛度的選擇，過(guò)小的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)導(dǎo)致蓋梁撓跨比過(guò)大，影響行車(chē)舒適性。

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