大悬臂倒T型盖梁设计

刘 彬，万淑敏，张守龙，张焕荣

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266101）

1 设计概况

城市桥梁设计中，城市高架桥梁通常需要尽可能减少桥梁结构高度与占地面积，在充分保障桥下净空、减少征地拆迁的同时，也有利于使桥梁整体结构显得更加通透、高挑。大悬臂倒T型盖梁较好地解决了这一问题[1]。

青岛市辽阳路快速路是青岛市“三纵四横”快速路网的第二横，对快速疏解城市交通起着重要作用。辽阳路快速路二期工程的标准桥宽为25 m，上部结构采用简支预制小箱梁，主跨35 m，梁高1.8 m；下部结构为倒T型大悬臂双柱盖梁，柱距5.2 m，悬臂长8.05 m，桥梁标准横断面见图1。本文结合辽阳路快速路二期工程，对本类型盖梁设计思路、设计方法及受力情况进行探讨分析。

图1 桥梁标准横断面（单位：cm）

2 大悬臂倒T型盖梁设计

2.1 技术标准

道路等级：城市快速路。

设计时速：60 km/h。

净空要求：主线桥下地面辅路净空不小于4.5m。

2.2 倒T型盖梁结构设计

为满足桥下辅路净空需求，盖梁悬臂长8.05 m，根部高3.6 m，端部高2.9 m；盖梁中心到端部采用直线过渡，盖梁宽3.2 m，中部实心段宽1.2 m，两侧小箱梁搭接位置各1 m。本文选取标准跨径处，A型倒T盖梁进行研究。盖梁采用C50混凝土，按A类预应力混凝土构件设计，共布置12束低松弛高强钢绞线，竖向分4层布置，每层3束；顶底2层为12股，中间2层为15股，锚下张拉控制应力σcon=1 360 MPa。倒T型盖梁钢束布置见图2。

图2 倒T型盖梁钢束布置图（单位：cm）

2.3 施工阶段划分

第1阶段：浇筑C40桥墩和C50盖梁混凝土，混凝土强度和弹性模量达到100%时依次张拉第1批N1、N4钢束。

第2阶段：上部小箱梁架设。

第3阶段：张拉第2批N2、N3钢束。

第4阶段：浇筑上部小箱梁湿接缝并施工二期横载。

第5阶段：考虑成桥运营阶段的收缩徐变。

3 杆系及空间结构计算分析

3.1 模型建立

采用Midas Civil/FEA分别建立盖梁杆系与实体模型。

模型结构：杆系模型利用梁单元建立盖梁及桥墩，实体模型采用自动划分六面体为主导的空间网格，建立盖梁与桥墩。

钢束：实体模型采用3D曲线创建钢束形状，对3D曲线进行自动网格线划分，从而创建钢束。

边界：对桥墩底部按全固结考虑。

荷载：横载按实际位置添加，杆系模型活载采用横向移动荷载，以纵向活载计算结果作为单车道荷载，在盖梁顶进行影响线加载[2]；实体模型采用单梁纵向活载计算结果，根据横向分布系数，在支座位置施加集中力进行最不利加载。

3.2 运营阶段受力分析

3.2.1 实体模型主要应力状态

根据实体模型的主要计算结果，对受力最不利的悬臂根部截面，分别提取横载和活载的主要应力结果。

横载作用正应力云图、活载作用正应力云图和作用频遇值组合主应力云图分别见图3、图4和图5。

图3 横载作用正应力云图（单位：MPa）

图4 活载作用正应力云图（单位：MPa）

图5 作用频遇值组合主应力云图（单位：MPa）

3.2.2 杆系模型与实体模型主要应力状态比较

对杆系模型与实体模型，针对主要规范内荷载组合与验算内容[3-4]进行相应的比较，比较结果见表1。其中的实体模型结果忽略了钢束锚固区的应力集中，压应力为正，拉应力为负。

表1 正常使用极限状态杆系模型与实体模型应力 MPa

由表1可知，对于频遇与准永久组合上缘正应力，实体模型结果均大于杆系模型结果；对于频遇与准永久组合下缘应力，2种模型应力结果较为接近；对于斜截面剪应力，实体模型较大，已经接近截面允许应力。

考虑到2种模型活载加载方式的不同，以及收缩徐变、梯度温度等产生的截面上缘正应力，在正常使用极限状态下，实体模型与杆系模型各应力结果较为相近，均满足规范[4]要求，但是，截面上缘应力储备较为充足，截面下缘应力储备较少。

3.2.3 实体模型横向应力分析

倒T型盖梁横断面方向为普通钢筋混凝土构件，准永久组合作用下，提取实体模型横向应力结果，见图 6、图 7。

图6 大于0 MPa横向拉应力云图（单位：MPa）

图7 大于0.5 MPa横向拉应力云图（单位：MPa）

由图6、图7可以看出，倒T型盖梁横向拉应力主要分布在盖梁实心部分、盖梁牛腿上缘和桥墩中部，拉应力大小基本位于0～0.5 MPa范围内，除预应力张拉锚固区存在局部应力集中外，在桥墩与盖梁相接处的局部位置，横向拉应力达到了1.8MPa。建议配筋设计时，在此处根据拉应力大小，合理配置钢筋。

4 结语

（1）对于分批张拉、盖梁下缘不设置预应力钢束的大悬臂倒T型盖梁，在保持截面上缘有一定应力储备的同时，也应注意截面下缘的应力状态，避免下缘截面开裂。

（2）对于小柱距、大悬臂倒T型盖梁，杆系模型与实体模型在整体应力分布上的结果基本一致的，主要受力截面的应力结果也较为接近，但是局部位置由于不再符合平截面假定和小变形假设，在墩柱与盖梁相接处及盖梁张拉锚固区存在局部应力集中，无法对局部应力进行有效分析和合理配筋。因此对此类小柱距、大悬臂盖梁有必要进行实体模型分析。