预应力混凝土盖梁设计

预应力混凝土盖梁设计

摘要:从盘锦市绕城公路双台河特大桥加长加宽设计过程中预应力盖梁方案的选择到预应力盖梁模型建立等方面,介绍预应力混凝土盖梁的设计过程,并指出预应力混凝土盖梁的应用必将越来越广泛。

关键词:预应力盖梁永久荷载活荷载横向分布

1 工程简介

随着交通行业的不断发展,旧桥的加宽改造不断的出现在工程建设项目中,庄林线盘锦绕城公路(西环)K12+070.005处的双台河大桥为西环上最为重要的桥梁,它的加宽改造方案是盘锦绕城公路改造工程的主要控制点之一。根据建设方的要求,我单位根据对该桥的现有结构使用状况调查结果,进行了桥长、桥梁结构体系、上部连接、下部加固等多个技术问题的论证,最终确定了设计方案。

原双台河大桥中心桩号K12+070.005,上部结构为29×30m预应力混凝土简支空心板,桥梁全长876.0m,交角90度。桥面布置为净10.75+2×0.5m防撞墙,下部肋板台,柱式墩,桩基础。

改造后的双台河特大桥中心桩号K11+690.42,上部结构为38×30m预应力混凝土简支箱梁,桥梁全长1146.1m,交角90°。下部肋板台,柱式墩,桩基础。

2 预应力盖梁的方案选择

由于原桥加长了270m,原桥29号桥台变成了桥墩,肋板台身需拆除,针对29号桥墩的处理设计了三个方案进行比选。

方案一:利用原桥29号桥台的桩基础,在原有桥台承台上接柱。因原29号桥台肋板台身的拆除,原桥29孔上部板梁势必拆除。考虑到拆除过程中对横隔板、铰缝等位置的损坏以及使用年限等因素,本次设计中废除原29孔空心板,改为预应力混凝土小箱梁。由于新设计的小箱梁梁高自重远大于原桥,且29号桥墩的柱中心与原肋板桥台的前排桩基中心相距约10cm,上部结构的恒载基本全部传至该排桩基础上(原桥桩径0.8m),竖向力显著增加,原桥桩基础的桩长及配筋已不能满足新桥的使用要求,故此方案没有采用。

方案二:采用不同跨径上部结构的方式避开原29号桥台桩基础。由于考虑工期紧张,且不同的模板将增加工程造价,且需要设置过渡墩,施工繁琐,故本方案没有采用。

方案三:不再利用原桥桩基础。为避开原29号台处的基础影响,设计重新布置了现29号桥墩的桩基位置,将其中一个桩基设置从原桥两个桩基础中穿过,并避免盖梁的悬臂过大。综合考虑,设置了如下的盖梁尺寸。由于盖梁悬臂达到3.91m,使用普通钢筋混凝土盖梁则截面高度很大,自重大,配筋率大,不符合美观、经济等设计要求,故将29号桥墩盖梁做成预应力盖梁,大大降低了盖梁的设计高度,且减少了普通钢筋的数量。预应力盖梁设计时按部分预应力A类构件计算。

如图1所示,29号桥墩盖梁的尺寸布置如下。

3 预应力盖梁的计算

本次使用桥梁博士V3.1版对预应力盖梁进行建模分析。预应力盖梁的计算,是对全截面计算其应力,按开裂截面验算其极限强度。受盖梁尺寸限制,考虑施工便利,本次设计普通钢筋采用HRB335φ22上下缘各20根,预应力钢束选用φs15.2-9型,当钢绞线束的钢丝直径大于5mm时,预应力钢筋的曲线半径不易小于6m,故本设计取用曲线半径6m。预应力钢束的具体配置如图2所示。

通过预应力盖梁模型的建立可以看出,预应力盖梁区别于上部梁的计算主要有两点:(1)上部荷载的模拟;(2)活荷载横向分布系数的选取。

预应力盖梁的计算是不需要建立全桥模型的,上部梁计算时可以将永久荷载作为均布或集中荷载直接作用于梁体单元上,而预应力盖梁计算时上部永久荷载是不能直接作用于梁体单元上的。考虑到成桥状态后,上部结构的荷载将通过支座传递到盖梁上,故在盖梁设计中,可以将上部梁的计算结果直接应用在盖梁计算中,即将上部梁计算的支承反力作为集中荷载在施工阶段中作用在盖梁对应梁体支座位置而设立的节点位置上,此支承反力为成桥内力,已经包含了上部梁体自重、永久荷载、收缩、徐变和预应力效应,比较符合成桥使用后的实际情况。

通常上部梁计算时,车辆是纵向、沿X轴移动的,此时活荷载的计

算不应该选择“横向加载”,而验算预应力盖梁的横向受力时,车辆是垂直于X-Y坐标系运动的,此时活荷载的计算应该选择横向加载。横向加载需要指定“横向加载有效区域”以及是否“自动计入车道折减系数”。这两种横向分布系数的计算是截然不同的。预应力盖梁的横向分布系数已经不是真正意义上的横向分布系数,它的大小就是汽车对这个横向结构的作用力的大小。这个作用力是根据纵向结构的特征计算而得的,跟结构的纵向跨径有关。

《公路桥涵设计通用规范》4.3.1条:汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车道荷载;桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。据此要求,预应力盖梁的横向加载采用车道荷载。本设计公路-Ⅰ级,均布荷载标准值为qk=10.5kN/m;集中荷载标准值按以下规定选取:桥梁计算跨径小于或等于5m时,Pk=180kN;桥梁计算跨径等于或大于50m 时,Pk=360kN;桥梁计算跨径在5m～50m之间时,Pk值采用直线内插求得。计算剪力效应时,上述计算跨径标准值Pk应乘以1.2的系数。

故集中力=333kN。

均布力=315kN。

车道荷载=652kN。

因支座到墩中心距离为0.33m,故取用了1.01的系数。

预应力盖梁的横向分布系数则按652取值。

查看预应力盖梁的计算结果,承载能力极限状态荷载组合Ⅰ强度验算结果满足要求。正常使用极限状态荷载组合Ⅰ(最大拉应力不出现负值,即不出现拉应力)满足要求;正常使用极限状态荷载组合Ⅱ(最大拉应力为0.827<0.5ftk=1.325MPa)满足要求;正常使用极限状态荷载组合Ⅲ(最大主压应力9.96<0.5ftk=16.2MPa)满足要求。

4 结语

随着交通行业的快速发展,桥梁的加长处理也日益增多,包括新建桥梁在条件受到限制的情况下,考虑设计的实用、美观及施工便利性,预应力盖梁的设计充分体现出了其优越性,预应力盖梁的应用必将愈来愈广泛。

参考文献

[1] JTG D62—2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[2] JTG B01—2003.交通部部颁标准.公路工程技术标准[S].

[3] JTG D60—2004.交通部部颁标准.公路桥涵设计通用规范[S].