大悬臂盖梁Π型墩盖梁设计与施工过程分析研究

钟帆

摘 要：本文結合莞番高速厚街高架桥标准段大悬臂盖梁Π型墩构造，对预应力混凝土盖梁进行计算分析，总结大悬臂预应力盖梁的设计思路及注意事项。盖梁结构受多种控制因素影响，应当同时考虑施工阶段、运营阶段结构受力性能及刚度的需求，尤其是墩顶处盖梁受力复杂，合理选择悬臂尺寸及钢束布置形式可以最大化此处的预应力效应，减小结构尺寸、节约造价。同时计算分析中应采用合理的预应力钢束的张拉顺序及架梁顺序，以确保结构施工安全。

关键词：大悬臂盖梁Π型墩;空间受力;施工过程模拟

1 概述

莞番高速是《广东省高速公路网规划》（2004～2030）中编号S18的加密线，是东莞市“一环六纵三横”主干线的第三横。

莞番高速西连南沙大桥，东接河惠莞高速，经厚街镇处线位与富民路重合，受现状厚街富民路宽度限制，桥梁采用在富民路上高架的主线桥方案。

共线段桥梁设计充分利用桥下辅道中分带的宽度，提出大悬臂盖梁Π型墩的构思。相较于传统三柱式双层框架墩，大悬臂盖梁中央墩，受力明确，传力清晰，行车视野好，同时桥墩位于中分带，桥下空间得以充分利用，并可有效减少跨越被交路处跨径。

相较于常规下部结构，本项目盖梁边缘距墩中心距离12.9 m，为减小盖梁结构高度，采用了预应力混凝土结构，盖梁设计是大悬臂盖梁Π型墩的设计难点与重点。本文选取其中标准段的典型盖梁，简要介绍大悬臂盖梁Π型墩中盖梁构件的设计要点。

2 盖梁构造

根据上部预制小箱梁的跨径不同，大悬臂盖梁Π型墩盖梁尺寸不同，根据设计比选，较为经济的跨径选择为25 m、30 m。本文选取30 m标准段下部进行介绍。

2.1 盖梁构造尺寸

标准段盖梁全宽31.7 m，柱间距5.9 m，盖梁悬臂端部至墩柱中心距离为12.9 m。盖梁采用变高矩形截面，顺桥向厚度2.2 m，根部高度3.5 m，悬臂高度1.7 m。桥墩采用圆形墩，墩柱直径2.1 m，主要尺寸见图2-1。

盖梁采用C50混凝土，墩柱采用C35混凝土。

2.2 盖梁预应力体系

按A 类预应力混凝土构件进行盖梁设计，盖梁内交错布置20根15-15型预应力钢束，钢束布置图如2-2 所示。

根据大悬臂盖梁的受力特性，墩顶区域是其设计控制点，采用交错布置、单端张拉的钢束布置，可以最大限度的在墩顶上缘布置最多的预应力钢束，从而减小结构高度。

3 施工方案

大悬臂预应力混凝土盖梁支架采用钢管桩+型钢分配梁方案，在承台上设置4根φ800×8 mm钢管。钢管桩两侧采用斜撑形式进行延伸，斜撑由撑杆和分配梁组成，与钢管桩采用销接进行连接。管桩及斜撑顶设置分配梁及底模。

大悬臂盖梁钢管桩+型钢支架使用前先进行预压，盖梁混凝土强度达到2.5 MPa后，拆除盖梁侧模。

盖梁预应力分两次张拉，混凝土强度达到设计强度的90%以后进行第一次张拉。首次预应力张拉完成后，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撑、连接系、钢管立柱。支架拆除后堆码整齐，使用平板车运至下一盖梁施工。

待梁体架设完成后，进行盖梁第二次预应力张拉，将剩余预应力全部张拉完成并及时压浆、封锚。

4 盖梁计算

采用空间梁单元进行建模计算。

4.1 荷载取值

恒载：恒载主要包括上部预制小箱梁自重，桥面铺装、护栏等二期重量。

活载：公路一级荷载，车道按最不利位置加载。

温度作用：考虑整体升降温25℃。

风载：由于该共线段两侧多为房屋住宅，桥梁受风荷载作用效应较小，不控制设计。

制动力：按照规范要求考虑。

施工阶段荷载：主要包含架桥机重量及运梁车运梁经过的荷载。此荷载主要影响不同预应力分批张拉的先后顺序。

4.2 计算分析

在基本组合作用下，盖梁抗弯及抗剪承载能力均满足规范要求，其中抗弯承载能力安全系数1.2，抗剪承载能力安全系数1.4。

控制大悬臂盖梁设计的主要还是抗裂验算，包含施工过程短暂状态抗裂及运营状态抗裂设计两部分。

在粤赣高速交通事故发生后，桥梁结构在超载车作用下的安全储备，成为了必须考虑的课题。本文模拟实际中有可能发生的极端情况进行分析计算，即上部最外侧布置一列重车车队（即超载车荷载，根据粤赣高速交通事故中出现的重车称重，偏于安全的取为120吨/辆），其余车道车辆按规范正常加载。

4.2.1 正常使用极限状态正截面抗裂验算

正常使用极限状态下，盖梁抗裂验算结果如图。在重车滞留于最左侧车道的工况（重车分项系数取1），频遇组合作用下，盖梁上缘正好无拉应力，最不利位置处于重车滞留侧墩顶;盖梁下缘同样无拉应力，最不利位置处于盖梁悬臂端部N2钢束锚固结束后的局部。

4.2.2 短暂状况应力计算

施工阶段，上部架梁顺序及盖梁钢束张拉顺序对盖梁应力影响很大，由于钢束集中于盖梁上缘，第一批预应力张拉过多会导致盖梁下缘拉应力过大，张拉过少则不能完成一次性架梁。

考虑到尽可能采用一次性架梁节约工期，预应力钢束分两批张拉以满足施工阶段受力需要，模拟分析分5个施工阶段：

（1）浇筑盖梁，张拉第一批预应力钢束;（2）一次性架梁（同时激活左右幅、相邻两跨上部一期荷载）;（3）张拉第二批预应力钢束;（4）施加湿接缝、桥面系等荷载;（5）10年运营阶段。

如图所示，施工阶段三个控制性阶段最大拉应力分别为0.6 MPa、0.7 MPa、0.7 MPa，均满足规范要求。

4.2.3 挠度验算

活载作用下，主梁挠跨比对行车舒适性有较大影响。相较于常规盖梁，大悬臂盖梁Π型墩在活载作用下会出现较大的竖向挠度，该挠度主要由两部分效应组成：大悬臂盖梁本身变形产生的挠度;由于中央墩墩间距较小引起的墩顶横向转角较大，进而导致盖梁悬臂处有较大竖向挠度。

盖梁竖向挠度及对于挠跨比见下表。其中挠跨比计算中，挠度值考虑了C50混凝土挠度长期增长系数1.425。跨径取盖梁悬臂到墩边缘的净悬臂长度，即11.85 m。

5 盖梁预应力设计要点

根据以上验算结果，可以看到控制盖梁尺寸及预应力设计主要由以下几方面控制：

（1）盖梁端部竖向挠度大小，控制了大悬臂盖梁悬臂尺寸的选择;

（2）盖梁抗弯、抗剪承载能力，控制了大悬臂盖梁宽度及根部高度的选择;

（3）第一次张拉预应力的数量及布置，应同时满足张拉预应力时盖梁根部下缘不产生过大的拉應力，且架设上部小箱梁后，盖梁上缘不产生过大的拉应力;

（4）第二次张拉预应力的数量及布置，应同时满足张拉预应力时盖梁根部下缘不产生过大的拉应力，且营运阶段，盖梁上缘不产生过大的拉应力;

（5）对于大悬臂盖梁，应特别注意超载车作用下的安全储备，营运阶段设计建议考虑最外侧车道为超载车作用下的设计工况;

（6）预应力线形设计直接影响盖梁斜截面抗裂，尽可能的将预应力下弯束分布均匀可以有效的减小盖梁主拉应力。

6 结语

（1）大悬臂盖梁Π型墩充分利用地面辅道中央分隔带处的空间，避免了设置边墩对周围环境、行车视野等的干扰; （2）为减小结构尺寸，单端交错张拉的预应力设置方式，可以使得墩顶处的预应力布置尽可能的密集，最大化预应力效应;

（3）大悬臂盖梁Π型墩预应力布置均偏向于盖梁上缘。在施工过程中，可以看到上下缘应力均控制设计。必须充分考虑施工阶段中的各项临时荷载。过高或过低的估计施工荷载，都可能造成上缘或者下缘在施工阶段中产生拉应力。合理的选择预应力钢束的张拉顺序，可以实现一次落梁，简化施工流程;

（4）盖梁计算除了满足规范要求的抗裂抗压验算、承载能力验算之外，应着重注意盖梁刚度的选择，过小的结构尺寸会导致盖梁挠跨比过大，影响行车舒适性。

参考文献：

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