任安忠

摘 要：本研究以徐州市解放北路上跨隴海鐵路立交橋項(xiàng)目中的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制拼裝蓋梁結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，通過建立空間桿系模型，分別對(duì)施工過程中及橋梁運(yùn)營中應(yīng)注意的問題進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證預(yù)制拼裝蓋梁技術(shù)的可行性和合理性，為以后的大跨度預(yù)制拼裝蓋梁設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：大跨度;預(yù)應(yīng)力混凝土;預(yù)制拼裝蓋梁;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U442.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2022）9-0092-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.020

Design of Long-Span Prestressed Concrete Prefabricated Cover Beam

REN Anzhong

（China Railway Shanghai Design Institute Group Corporation Limited， Shanghai 221000，China）

Abstract：This study takes the long-span prestressed concrete prefabricated and assembled cover beam structure in the Longhai Railway Overpass Project on Jiefang North Road in Xuzhou City as the analysis object. The force analysis of the problem is carried out to verify the feasibility and rationality of the prefabricated assembled cover beam technology， and to provide a reference for the design and application of the large-span prefabricated assembled cover beam in the future.

Keywords： long-span; prestressed concrete; prefabricated cover beam; design

0 引言

近年來，隨著城市的發(fā)展，既有的下穿鐵路立交橋已不能滿足城市發(fā)展的需求，需要進(jìn)行擴(kuò)容改造，為了減小對(duì)運(yùn)營鐵路的影響和保留既有下穿立交的使用和通行，改造工程常采用大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁跨越既有立交結(jié)構(gòu)，將墩柱放在立交結(jié)構(gòu)以外。本研究以徐州市解放北路下穿隴海鐵路立交擴(kuò)容項(xiàng)目為背景，既有下穿鐵路立交為（6.7 m+10 m+6.7 m）三孔低高度鋼筋混凝土梁橋。中間橋孔通行機(jī)動(dòng)車，兩邊孔通行非機(jī)動(dòng)車及行人。該項(xiàng)目擴(kuò)容改造后要求保留既有下穿鐵路立交通道，主車道采用橋梁形式上跨隴海鐵路，橋梁下部結(jié)構(gòu)的選型對(duì)保留既有下穿立交的使用功能有很大影響，為此本項(xiàng)目橋梁下部結(jié)構(gòu)采用了大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制拼裝蓋梁+雙矩形立柱橋墩設(shè)計(jì)方案。

徐州市解放北路上跨隴海鐵路立交為城市主干路，設(shè)計(jì)速度50 km/h，主線雙向6車道，設(shè)計(jì)荷載為城—A級(jí)。該設(shè)計(jì)對(duì)其中的大跨度雙柱式橋墩的蓋梁進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 工程概況

1.1 基本資料

主線高架標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)挒?4.50 m，上部結(jié)構(gòu)為3 m×30 m先簡支后連續(xù)小箱梁，橫向8片小箱梁，橡膠板式支座，下部結(jié)構(gòu)采用大跨度預(yù)制拼裝蓋梁+雙矩形立柱橋墩形式。蓋梁中心高度為3.05 m，縱橋向頂面寬為1.10 m，底面寬為3.00 m。蓋梁跨度長為17.70 m，全長為24.67 m，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用分段工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝施工方式。橋墩為矩形雙立柱，立柱中心間距為17.70 m，尺寸為1.80 m（順橋向）×1.60 m（橫橋向），角點(diǎn)處采用R=0.15 m的圓倒角。標(biāo)準(zhǔn)橋墩基礎(chǔ)采用2根直徑為1.80 m鉆孔灌注樁。蓋梁的構(gòu)造尺寸見圖1。

1.2 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

蓋梁預(yù)制段采用C50高性能自密實(shí)混凝土，現(xiàn)澆段采用C55收縮補(bǔ)償混凝土，預(yù)制墩身采用C40高性能自密實(shí)混凝土，承臺(tái)采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土，蓋梁采用φs15.2高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼束均從蓋梁底過。鋼束N1、N2、N3、N4分四排布置：N1、N2、N3布置3股，N1、N2每股12根，N3每股15根;N4布置2股，每股15根。

預(yù)應(yīng)力蓋梁鋼束布置見圖2。

1.3 施工流程劃分

現(xiàn)場澆筑樁基、承臺(tái)（承臺(tái)中預(yù)埋立柱鋼筋，工廠同步預(yù)制立柱和蓋梁節(jié)段，立柱底部及蓋梁底部處預(yù)埋套筒）—立柱安裝—鋼筋連接、套筒灌漿—高強(qiáng)水泥灌漿料達(dá)到強(qiáng)度要求—吊裝拼接兩側(cè)墩頂節(jié)段—蓋梁與立柱鋼筋連接、套筒灌漿—吊裝中間預(yù)制節(jié)段蓋梁—現(xiàn)澆段鋼筋連接—高強(qiáng)水泥灌漿料達(dá)到強(qiáng)度要求—現(xiàn)澆段澆筑—鋼束N1-1、N2-1、N3-1、N4張拉—小箱梁架設(shè)—鋼束N1-2、N2-2、N3-2張拉—橋面鋪裝及防撞墻等二期恒載施工。

2 結(jié)構(gòu)建模分析

2.1 計(jì)算方法

計(jì)算采用橋梁博士v3.5進(jìn)行空間桿系分析，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)施工流程來確定結(jié)構(gòu)計(jì)算的階段荷載工況。建模需在符合工程規(guī)范及荷載組合要求的前提下進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力、極限承載力計(jì)算，預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁結(jié)構(gòu)按照預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件在施工階段、運(yùn)營階段應(yīng)力、極限承載力及整體剛度進(jìn)行驗(yàn)算[1]。

2.2 計(jì)算模型

計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁不需要建立全橋模型，無論是施工過程中還是成橋及運(yùn)營以后，上部結(jié)構(gòu)荷載都將通過支座傳遞到蓋梁上，故在蓋梁設(shè)計(jì)時(shí)，將上部結(jié)構(gòu)荷載按照集中力作用在支座處，一期恒載為梁體自重，二期恒載為鋪裝、防撞護(hù)欄等，活載按照城—A級(jí)[2-3]。取橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，模型按照蓋梁、橋墩的實(shí)際尺寸建立單元分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 施工階段應(yīng)力分析

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTG 3362—2018》（以下簡稱《公橋規(guī)》）[1]第7.2.8條規(guī)定，在構(gòu)件自重和預(yù)應(yīng)力等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力應(yīng)符合：壓應(yīng)力[σtcc≤0.70f'ck]，拉應(yīng)力[σtct≤0.70f'tk]。

下部結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼裝施工時(shí)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的90%，故壓應(yīng)力允許值[0.70f'ck=0.7×0.9×32.4=20.41 MPa]，拉應(yīng)力允許值[0.70f'tk=-0.7×0.9×2.65=-1.67 MPa]。

由表1可見，施工階段混凝土的最大壓應(yīng)力為8.2 MPa、最大拉應(yīng)力為0.4 MPa，均滿足要求。

3.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

3.2.1 應(yīng)力驗(yàn)算。按照《公橋規(guī)》第7.1條規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件持久狀況設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力計(jì)算時(shí)其值取標(biāo)準(zhǔn)值，正應(yīng)力允許值[0.50f'ck=0.5×32.4=16.2 MPa]，主應(yīng)力允許值[0.50f'ck=0.6×32.4=19.44 MPa]。蓋梁截面上下緣的正應(yīng)力及主應(yīng)力見表2。由表2可見，蓋梁在持久狀況下混凝土的正應(yīng)力和主應(yīng)力均滿足要求。

持久狀況預(yù)應(yīng)力鋼束拉拉應(yīng)力允許值[0.65f'pk=-0.65×1 860=-1 209 MPa]，應(yīng)力見表3。

由表3可見，蓋梁在持久狀況下預(yù)應(yīng)力鋼束的拉應(yīng)力滿足要求。

3.2.2 抗裂驗(yàn)算。按照《公橋規(guī)》第6.3.1條，正截面抗裂應(yīng)對(duì)構(gòu)件正截面混凝土的拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)于A類預(yù)應(yīng)力類混凝土構(gòu)件，在荷載短期效應(yīng)組合下拉應(yīng)力允許值[σst-σpc≤ftk=0.7×2.65=1.86 MPa];在荷載長期效應(yīng)組合下拉應(yīng)力允許值[σ1t-σpc≤0]。按照規(guī)《公橋規(guī)》第6.3.1-8條，斜截面抗裂應(yīng)對(duì)構(gòu)件斜截面混凝土的主拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)于A類預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制拼裝構(gòu)件，在作用短期效應(yīng)組合下主拉應(yīng)力允許值[σtp≤0.50ftk=0.5×2.65=1.33 MPa]。

①頻遇組合效應(yīng)。頻遇組合效應(yīng)下蓋梁截面上下緣的最小正應(yīng)力及主拉應(yīng)力見表4。

由表4可知，蓋梁在頻遇組合效應(yīng)下的正截面、斜截面抗裂均滿足要求。

②準(zhǔn)永久組合效應(yīng)。準(zhǔn)永久組合效應(yīng)下蓋梁截面上下緣的最小正應(yīng)力見圖3。

由表5可見，蓋梁在準(zhǔn)永久組合效應(yīng)下的抗裂滿足要求。

3.3 承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算

3.3.1 正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。按照《公橋規(guī)》第5.1.2條，正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)荷載效應(yīng)為基本組合效應(yīng)值。

基本組合下蓋梁最大彎矩及其對(duì)應(yīng)的抗力見圖4。

由圖4可知，承載能力極限狀態(tài)下蓋梁最大彎矩出現(xiàn)在跨中位置為3 730 4 kN·m，該處抗彎承載力設(shè)計(jì)值為56 402 kN·m，所有截面的彎矩均處于彎矩包絡(luò)圖內(nèi)部，蓋梁的正截面抗彎強(qiáng)度滿足要求。

3.3.2 斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)荷載效應(yīng)為基本組合效應(yīng)值，按照《公橋規(guī)》第5.2.13條驗(yàn)算截面尺寸，按照第5.2.11、5.2.12條驗(yàn)算斜截面抗剪承載力，按照第8.1.6條驗(yàn)算結(jié)合面抗剪承載力。

基本組合下蓋梁的剪力包絡(luò)圖見圖5。

由圖5可見斜截面最大剪力為6 609 kN、抗剪強(qiáng)度為10 359 kN，蓋梁截面尺寸及斜截面抗剪強(qiáng)度均滿足要求。

4 結(jié)語

蓋梁采用大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，可以盡可能地少設(shè)墩柱，橫橋向跨越能力強(qiáng)，橋下空間大，滿足橋下通行需求，大跨度預(yù)應(yīng)力蓋梁不僅將橋梁上下部結(jié)構(gòu)融為一體，而且還充分體現(xiàn)出輕、巧、柔的特性，使橋梁本身和周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)一致，符合人們的審美要求[4]。但預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，施工技術(shù)要求較高，特別是在預(yù)制情況下使用的大跨度蓋梁受力更為復(fù)雜。通過分析，蓋梁的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，工程下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的，施工中嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的順序張拉鋼束。

因此，城市橋梁上下部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制拼裝施工技術(shù)，施工速度快、施工期對(duì)周圍交通及環(huán)境干擾少、經(jīng)濟(jì)效益顯著，為城市高架橋梁的集成化建設(shè)帶來方便。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[2] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[3] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JTG B01—2014[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[4] 江甫，侯玉成.大跨度預(yù)應(yīng)力蓋梁設(shè)計(jì)討論[J].城市道橋與防洪，2014，5（5）：103-104，117.