大悬臂预应力盖梁设计与计算

祁 巍，聂拥军

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518029）

1 概述

近年来，随着城市空间的不断拓展，大量环城或绕城快速路采用高架桥的形式上跨市政道路，因此周边环境及地面交通组织对桥梁结构的形式影响较大，桥下既要保证足够的行车道宽度，又要满足城市景观性的要求。为了满足以上这些要求，常常采用大悬臂预应力混凝土盖梁的设计方案。

盖梁是桥梁结构中承上启下的重要构件，上部结构的恒载和活载就是通过它传递给墩柱和基础。确定盖梁的构造形式，首先需满足支承上部结构与下部净空尺度，还需考虑上部结构形式是连续梁还是简支梁，施工采用预制吊装还是搭支架现浇，盖梁纵桥向位置是中墩还是边墩，墩梁是否固结，墩柱横向高差大小等因素。

东莞市镇际联网路29号路设计速度为80 km/h，双向6车道，设计荷载公-Ⅰ级。谢常公路跨线桥是29号路跨越谢常公路和京九铁路的一座大桥，桥梁宽度：2×13 m，桥梁全长680.56 m，上部结构采用4×30 m+3×35 m装配式预应力混凝土小箱梁，先简支后结构连续，全桥共6联。

5#桥墩位于全桥第二联，A匝道和B匝道分别从左右两侧下穿，跨线桥桥墩用地受限(见图1)。因此，盖梁采用双墩柱大悬臂预应力混凝土盖梁，上接8片预制吊装小箱梁，下接矩形墩、承台和钻孔灌注桩基础。

2 大悬臂预应力盖梁设计

2.1 盖梁构造尺寸

图15 #桥墩横断面图

上部结构横断面确定后，盖梁挡块与箱梁腹板之间考虑5 cm间隙，确定盖梁总长为24.6 m。考虑两侧桥底地面车辆通行净空、净宽，高架桥路线单向横坡，采用大悬臂盖梁方案，墩顶负弯矩控制设计方案，通过初步试算确定盖梁中心（墩顶处）高度为2.2 m，端部（悬臂处）高1.2 m，两墩柱中心间距为7.3 m，两侧各悬臂7.1 m，盖梁中心到端部采用直线过渡。上述盖梁尺寸满足桥下净空、净宽要求，墩顶满足负弯矩受力要求，端部尺寸满足抗剪、抗弯要求。综合结构受力、施工、钢筋布置构造等要求，考虑到城市景观效果，盖梁顺桥向宽为2.4 m。

预应力盖梁一般构造尺寸如图2所示。

2.2 预应力钢束布置

预应力混凝土盖梁采用A类预应力混凝土构件，混凝土等级为C50。盖梁共布置19根预应力钢束，采用φs15.24低松弛高强钢绞线，锚下张拉控制应力为1339.2 MPa，两端张拉。

2.3 预应力盖梁施工工序

预应力盖梁施工步骤如下：

（1）搭设支架、立模浇注盖梁C50混凝土。

（2）待混凝土强度达95%且龄期不小于7 d，对称张拉N2、N3、N5钢束，预应力管道压浆。

图2 预应力盖梁断面图

（3）待压浆强度达100%，折除盖梁模板和脚手架。架设前后跨小箱梁，小箱梁需从墩柱中心向两侧对称吊装。

（4）待盖梁两侧小箱梁吊装完毕，对称张拉N1、N4钢束，压浆并封锚。

（5）待压浆强度达100%，浇注接缝，施工现浇层、桥面铺装及防撞护栏等。

（6）成桥、运营。

表1为预应力盖梁钢束技术参数表，图3为预应力盖梁钢束布置图。

表1 预应力盖梁钢束技术参数表

图3 预应力盖梁钢束布置图

3 结构建模及计算参数取值

根据盖梁的几何尺寸及其以弯矩、剪力、轴力（预应力引起）为主的受力特点，采用MIDAS软件梁单元建模进行计算分析（见图4、图5）。

图4 结构计算模型（一）

图5 结构计算模型（二）

（1）由于墩柱底接承台，承台下群桩基础，故模型按实际墩柱高度建模，墩底固结。

（2）由于盖梁处上部结构为端横梁，故桥面单元高度按端横梁实际高度取值，弹性模型按C50取值，重力取0。

（3）横桥向桥面单元按实际车行道宽度建模，桥面单位与盖梁单元之间采用弹性连接模拟板式橡胶支座，竖向刚度取1e7kN×m，横向和纵向刚度取100kN×m。

（4）小箱梁自重、二期恒载等根据施工顺序，按实际位置施加。

（5）温度荷载考虑整体升降温，不考虑温度梯度的影响。

（6）采用MIDAS横向移动荷载进行横向加载计算。横向车轮荷载=冲击系数×[（左侧桥孔长度×均布荷载+右侧桥孔长度×均布荷载）/2+集中荷载（以左、右侧较大跨径计）×1.2（剪力效应，算承载力时考虑，算裂缝时不考虑）]。

4 计算结果分析

4.1 正截面抗弯强度验算（见图6）

图6 正截面抗弯强度验算图示

4.2 斜截面抗剪强度验算（见图7）

图7 斜截面抗剪强度验算图示

4.3 施工阶段混凝土应力（见表2）

表2 施工阶段混凝土应力一览表（单位：MP a，拉应力为正，压应力为负）

按照新《公桥规》第7.2.8条规定，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：压应力σcct≤0.70 fck’，拉应力σctt≤0.70 ftk’。该桥施工时混凝土强度已达到标准强度95%，故压应力允许值0.70 fck’=0.70×0.95×32.4=-20.55（MPa），拉应力允许值0.70 ftk’=0.70×0.95×2.65=1.76（MPa）。由表3可见，施工阶段混凝土应力满足要求[3-5]。

4.4 正常使用极限状态抗裂验算

4.4.1 短期效应组合抗裂验算（见表3）

表3 短期效应组合抗裂验算表（单位：MP a，拉应力为正，压应力为负）

由表3可见，该桥在短期效应组合下的抗裂验算满足要求[3-5]。

4.4.2 长期效应组合抗裂验算（见图8、图9）

图8 长期效应组合正应力图（上缘）（单位：MP a，拉应力为正，压应力为负）

图9 长期效应组合正应力图（下缘）（单位：MP a，拉应力为正，压应力为负）

由图8、图9可见，该桥在长期效应组合下截面正应力未出现正值，抗裂验算满足要求[3-5]。

4.5 持久状况应力验算

4.5.1 持久状况混凝土应力验算（见表4）

表4 持久状况混凝土应力验算表（单位：MP a，拉应力为正，压应力为负）

由表4可见，该桥在持久状况下混凝土的应力满足要求[3-5]。

4.5.2 持久状况预应力钢筋应力验算（见表5）

表5 持久状况预应力钢筋应力验算表（单位：MP a，拉应力为正，压应力为负）

由表5可见，该桥在持久状况下预应力钢筋的应力满足要求。

4.6 正常使用极限状态挠度计算

在荷载短期效应组合下最大悬臂端挠度为23.8 mm。

按照新《公桥规》第6.5.3条规定，受弯构件在使用阶段的挠度应考虑荷载长期效应的影响。

该桥采用C50混凝土，其挠度长期增长系数ηθ＝1.425，结构自重产生的挠度为19.1 cm，则消除结构自重后产生的长期挠度为1.425×(23.8-19.1)=6.7（mm）＜7100/300=23.7（mm），主梁的最大挠度不应超过计算跨径的1/300，满足规范要求。

5 结语

通过以上分析论证，预应力盖梁在极限承载能力、正常使用极限状态下，均能满足规范及实际运营要求。

在设计及施工过程中，需严格按照计算模型中的施工步骤，预应力张拉顺序、混凝土龄期要求等进行，使计算模拟与实际施工更贴近一致，从而保证盖梁建成后的实际受力及运营更安全、更耐久。

[1]杨秀珍，王勇.大悬臂预应力盖梁设计与应用[J].广东土木与建筑，2010，（1）.

[2]秦志军，贾旭东，周小年.独柱大悬臂盖梁桥墩设计与应用[J].山西交通科技,2007，（4）.

[3]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[4]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5]JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].