大悬臂预应力混凝土盖梁的设计与计算

徐超 齐颖

（1、中国华西工程设计建设有限公司，四川 成都 610031 2、西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031）

在城市桥梁建设中，桥梁的墩台选型极其重要，空间、景观需协调，形成轻巧、视野通透的结构美观效果。城市高架桥往往受沿线构筑物、城市地下管线等周边环境的影响，合理的选择桥梁下部结构就尤为重要，既要保证桥梁的施工、运营的安全，还需要保障桥下行车宽度和限高范围，兼顾考虑城市景观要求。大悬臂桥墩由于具有良好观赏性且下部空间充足，逐渐成为城市高架桥梁的优选设计方案。

本文以成都彭青淮快速青白江段（凤鸣大道二期）城区段高架桥梁为工程依托，利用Midas Civil Designer 有限元分析软件，对该高架桥梁宽度为27.5m 的大悬臂预应力盖梁进行建模计算，计算分析过程及结果可为同类设计提供简单参考。

1 工程概况

彭青淮快速路作为成都市加强北改区域与东进区域联系的主要干线通道，是“五环二十五射”路网的重要组成结构，为建立全市快速路网体系的主要框架之一。成都彭青淮快速青白江段（凤鸣大道二期）项目全长4.6km，设计时速主线80km/h。其中路线过青白江姚渡场镇段，红线宽度为57m，为全高架布置，高架桥长2.8km，宽27.5m，高架桥为双向六车道。规划上下层断面布置如图1 所示。

图1 横断面图(单位:cm)

以施工方案为指引，综合考虑工程投资经济效益及施工技术标准，通过设计方案比选最终确定桥梁下部结构采取双柱大悬臂预应力盖梁，上部结构采取30m 跨度的预制预应力小箱梁。

2 盖梁设计

2.1 盖梁构造尺寸

桥梁下部盖梁截面形式为矩形，盖梁根部高2.5m，顶部高1.4m，悬臂长9.575m。主要构造尺寸如图2 所示。

图2 桥墩构造图(单位:cm)

2.2 结构建模

选取Midasi Civil Designer 分析软件进行建模及数值模拟，主要建模部件为墩柱和盖梁。材料属性为fck=32.4MPa，ftk=2.65MPa 的C50 混凝土。主要模型视图如图3。共计有单元79 个，节点87 个。

图3 模型视图

2.3 预应力体系

钢束选取φs15.20 低松弛高强度的预应力钢绞线，钢绞线的材料参数为：Ep=1.95×105MPa，fpk=1860MPa。锚固选取预埋塑料波纹管、M15 系列锚具，锚具张拉控制应力参数为1358MPa。（图4）

图4 钢束布置示意

2.4 盖梁施工阶段

施工分为以下五个步骤：

施工阶段1:支架现浇盖梁；

施工阶段2: 对称张拉N1'、N2'和N3钢束；

施工阶段3:架设箱梁；

施工阶段4: 对称张拉剩余N1,N2 钢束；

施工阶段5:施工湿接缝、二期恒载。

3 结果分析

3.1 持久状况承载能力极限状态

3.1.1 正截面抗弯验算（图5）

图5 持久状况正截面抗弯验算包络图

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（以下简称《桥规》）：γ0S≤R，进行抗弯验算。得到结果，构件的承载力设计值大于作用效应组合设计最大值与重要性系数的乘积，在规范要求内，且承载力的最小富余量达到15%。

3.1.2 斜截面抗剪验算（图6）

图6 持久状况斜截面抗剪验算包络图

按照《桥规》：γ0S≤R，进行斜截面抗剪验算。得到结果为，构件的承载力设计值大于作用效应组合设计最大值与结构重要性系数的乘积，符合规范规定，承载力最小富余量为29%。

3.2 持久状况正常使用极限状态

3.2.1 正截面抗裂验算（图7、8）

图7 使用阶段正截面抗裂验算（频遇- 顶）包络图

图8 使用阶段正截面抗裂验算（频遇- 底）包络图

按照《桥规》：σst-σpc≤0.7ftk，进行抗裂验算：0.7ftk=1.855MPa, 顶缘压应力为1.06 MPa≤1.855MPa，底缘压应力为2.5MPa≤1.855 MPa(拉应力)，均在规范要求范围内。（图9、10）

图9 使用阶段正截面抗裂验算（准永久- 顶）包络图

图10 使用阶段正截面抗裂验算（准永久- 底）包络图

按照《桥规》：σlt-σpc≤0，进行验算：顶缘压应力为2.66 MPa≤拉应力0.00MPa，底缘压应力为2.5 MPa(压应力)≤拉应力0.00 MPa，均符合规范。

3.2.2 腹板斜截面抗裂验算（图11）

图11 使用阶段腹板斜截面抗裂验算包络图

按照《桥规》：σtp≤0.50ftk，进行抗裂验算：0.50ftk=1.325MPa, 拉 应 力 为0.5 MPa ≤1.325 MPa，符合规范要求。

3.3 持久状况应力验算

3.3.1 正截面压应力验算

按照《桥规》：σkc+σpc≤0.5fck，进行正截面压应力验算：0.5fck=16.200 MPa，顶缘为13.066 MPa ≤16.200 MPa；底 缘 为12.942 MPa≤16.200 MPa，均在规定范围内（图12、13）。

图12 使用阶段正截面压应力验算（顶）包络图

图13 使用阶段正截面压应力验算（底）包络图

3.3.2 斜截面主压应力验算（图14）

图14 使用阶段斜截面主压应力包络图

按照《桥规》进行验算：σcp=13.0MPa≤0.6fck=19.440 MPa，在规定范围内。

3.3.3 预应力钢筋拉应力验算

针对受拉区的预应力钢筋，计算其最大拉应力：

3.3.3.1 对体内预应力钢绞线、钢丝：

未开裂构件：σpe+σp≤0.65fpk

允许开裂构件：σpo+σp≤0.65fpk

3.3.3.2 对体外的预应力钢绞线：

σpe，ex≤0.60fpk

3.3.3.3 对预应力螺纹钢筋：

未开裂构件：σpe+σp≤0.75fpk

允许开裂构件: σpo+σp≤0.75fpk

按照《桥规》：σpe+σp≤0.65 fpk，进行钢绞线验算：σpe+σp=1097.381 MPa≤0.65fpk=1209MPa，满足规范。

3.4 短暂状况应力验算

法向应力验算（图15、16）：

图15 施工阶段法向应力验算（顶）包络图

图16 施工阶段法向应力验算（底）包络图

按照《桥规》：σtcc≤0.7f'ck进行验算：顶缘σtcc=15.818 MPa≤0.7f'ck=18.760 MPa；底缘σtcc=8.357 MPa≤0.7f'ck=18.760 MPa，均在规定范围内。

4 结论

本文借助实际工程案例，简单阐述了大悬臂盖梁设计的基本思路和计算内容。通过结果分析表明，成都彭青淮快速青白江段（凤鸣大道二期）城区段高架桥大悬臂盖梁设计均满足规范要求，结构安全可靠。在满足经济和施工要求的前提下，选择大悬臂盖梁桥墩，不仅有助于增大桥下利用空间，还可节约占地。此次计算结果过程对其他类似工程有一定的借鉴意义。