某市政桥梁预应力混凝土盖梁设计要点浅析

贾凡鑫

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

1 概述

近年来，由于受到周围环境、下方交通要求以及城市景观要求等诸多方面限制，城市内的市政桥梁对桥梁下部结构的型式有了越来越高的客观要求。而大悬臂预应力盖梁不仅造型优美简约，同时能有效减少桥墩的横向尺寸，节省桥下空间，满足交叉口的视距及通透性要求，因此，在城市高架桥中得到广泛应用。

2 工程背景

2.1 项目概述

以东北地区某市市政高架桥为工程背景。全桥共29联，上部结构全部采用预应力(后张)先简支后结构连续小箱梁，下部结构中桥台采用肋板台，桥墩均采用大悬臂盖梁，H型墩，桩基础。本桥主要设计指标如下：

(1)设计安全等级：一级。

(2)设计环境类别：Ⅱ类。

(3)设计桥梁宽度：桥面标准宽度为25.6m，断面组成为0.55m(防撞护栏)+11.45m(车行道)+1.6m(中央分隔带)+11.45m(车行道)+0.55m(防撞护栏)。

(4)汽车荷载等级：公路-Ⅰ级。

(5)设计车道数量：双向6车道。

(6)设计洪水频率：特大桥1/100。

(7)地震动峰值加速度：0.10g。

(8)抗震设防类别：B级。

2.2 盖梁设计及施工技术细节

本项目出于城市景观和节约桥下空间的综合考虑，全线桥墩均采用大悬臂盖梁接曲线H墩的结构形式，如图1所示。

图1 典型桥墩断面图

桥墩立柱为截面矩形，柱顶至柱顶截面横向尺寸采用2次曲线过渡，纵向等宽；盖梁宽2.20m，高度则采用线性变化，其中端部高1.50m，柱顶外侧处高2.42m，盖梁中心高2.50m，最大悬臂长度为8.53m。

桥墩混凝土标号为C40，盖梁混凝土标号为C50。其中为满足受力需求，盖梁设置15束(3×5)单端张拉的ΦS15.2-12预应力绞线，抗拉强度标准值fpk=1860MPa。盖梁预应力钢束布置见图2。

图2 桥墩盖梁预应力钢束布置

上述盖梁施工流程如下：浇注盖梁→张拉第一批N3、N2b钢束→架设小箱梁→张拉第二批剩余钢束→施工小箱梁横纵向联系及桥面系。

2.3 研究的主要内容

本例中，盖梁悬臂较长，属于“一般梁”构件；而桥墩双支点之间，盖梁跨度L=7.24m，盖梁高度h=2.5m，L/h=2.9，则属于典型的“深受弯构件”中的“短梁”。

对于“短梁”而言，虽然其受力性能与“一般梁”类似，但是在相同截面尺寸与配筋的前提下，“短梁”的承载能力与“一般梁”仍存在着一定的差别。

基于此，主要从承载能力(即正截面抗弯承载力以及斜截面抗剪承载力)的角度出发，依照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[1](JTG 3362-2018)(下文中统称为“《公预规》”)中对于“一般梁”和“短梁”的不同规定，并引入现行建筑规范《混凝土结构设计规范》[2](GB 50010-2010)(下文中国统称为“《混规》”)中对于“短梁”承载力的相关规定作为对比。旨在通过实际计算，比较和分析“短梁”承载能力与“一般梁”的主要差别，总结出相关规律，并给出结论和建议。

3 分析过程

3.1 计算模型

采用Midas Civil 2020建立大悬臂盖梁及桥墩的梁单元有限元模型。建模过程中对于结构进行了适当简化，忽略盖梁横坡影响；同时，本例仅考虑上部小箱梁结构恒载，二期恒载，汽构进行了适当简化，忽略盖梁横坡影响；同时，本例仅考虑上部小箱梁结构恒载，二期恒载，汽车荷载以及盖梁自重等荷载对于结构内力的影响，由于本桥桥位处地质较好，且采用整体承台接桩基的基础结构形式，整体性好，因此不考虑基础变位等不利影响。

模型在计算汽车荷载时，考虑了车道不同横向布置形式对于结构受力的不利影响。建立的模型如图3所示。

图3 桥墩盖梁有限元模型

3.2计算结果

对于上述盖梁中的悬臂部分，按照“一般梁”验算；而对于双柱支点间的“短梁”部分，将分别按照三种不同模式(即《公预规》中“一般梁”和“深受弯构件”，以及《混规》中“深受弯构件”)验算。

验算内容中，“正截面抗弯承载力验算”分别取盖梁与桥墩连接处(即盖梁支点处)和盖梁跨中中心处等两处截面为控制截面，而“斜截面抗剪承载力验算”则取盖梁与桥墩连接处(即盖梁支点处)为控制截面。

现将整理后的计算结果汇总如表1、表2。

表1 正截面抗弯承载力

表2 斜截面抗剪承载力

3.3 计算结果

通过对比以上计算结果可知，对于“短梁”的正截面承载力计算而言，一旦按照“一般梁”的模式执行，可能将构件实际承载力错误地放大。按照这种模式计算，并进而指导配筋将导致构件设计偏不安全，存在隐患。

比较《公预规》以及《混规》中给出的对于“一般梁”和“短梁”正截面抗弯承载力的计算公式可知，上述情况产生的原因，主要是由于对于“短梁”的情形而言，受拉钢筋实际抗弯的有效内力臂较“一般梁”中的对应数值更小。

同样的，对于“短梁”而言，在斜截面抗剪承载力验算内容中，《公预规》中对于最小抗剪截面尺寸的限定要求较“一般梁”的对应要求更高(本条结论不适用于《混规》)；同时，通过计算可知，在同样截面尺寸和配筋前提下，《公预规》和《混规》中“深受弯构件”的抗剪性能均较“一般梁”差。

此外，通过简单的比较可知，在计算“短梁”的斜截面抗剪承载力时，《公预规》中给出的公式更多关注的是配置箍筋后混凝土构件整体的抗剪性能，并且兼顾考虑了受拉区钢筋的影响；而《混规》则能够分别考虑并计入混凝土、箍筋和水平钢筋三部分各自的抗剪作用。

4 结论

近年来，从工程景观需求以及节约桥下空间的双重角度出发，大悬臂预应力混凝土盖梁组合(横向桥)窄体墩柱的桥墩形式得到了市政桥梁工程越来越广泛的关注和实际应用。

这类桥墩为了在满足相对较宽的上部梁体承托需求的同时，能够尽可能地减少桥墩墩身对于下部道路空间的侵占，往往会导致盖梁的设计中同时引入了大悬臂的“一般梁”受力部分和高跨比较小的“短梁”受力(有时甚至进入“深梁”范畴)部分。二者同时存在，共同承担上部结构传递的各项荷载作用，并将其传递给下部的桥墩，直至基础部分。

通过工程实例，以现行《公预规》为设计和研究依托，并引入了现行建筑规范(《混规》)的相关内容作为比较。

通过建模计算和分析得到的结果可以证明：“短梁”构件的承载性能计算理论与传统的“一般梁”存在明显不同。从总体上看，在相同的截面和配筋条件下，“短梁”的承载能力较“一般梁”低，在本文给出的算例中，前者的抗弯和抗剪承载力较后者低20%以上；同时，前者对于构件的截面尺寸等构造要求也往往较后者更高(本例的计算结果中接近35%)。

过去的桥梁设计过程中，基于以往工程经验等种种原因，个别桥梁设计者常常选择直接忽略“短梁”部分的不利影响，将盖梁整体按照具有长悬臂的“一般梁”构件进行建模、设计和配筋。这可能会导致最终的配筋结果偏于激进，结构可能存在安全性隐患，这一点以后工作中应该引起广大同业者足够的关注和重视。