大悬臂预应力混凝土盖梁设计

大悬臂预应力混凝土盖梁设计

摘要：本文以广东省某高速公路实际桥梁采用的大悬臂预应力混凝土盖梁为分析对象，简要阐述了公路桥梁大悬臂预应力混凝土盖梁的设计计算方法，供其他设计人员参考。

关键词:预应力盖梁大悬臂设计活荷载

Abstract：The paper took a highway bridge with large cantilever prestressed concrete cap beam in Guangdong Province as analysis object, briefly introduced the design and calculation methods of the large cantilever prestressed concrete cap beam in highway, as reference for other designers.

Keywords：prestressed cap beam；large cantilever；design；live load

1设计背景

目前，许多公路桥梁的上部结构采用了小箱梁，空心板，T梁等形式，集成化的桥梁建设使大批盖梁应运而生。随着交通量的不断增加，桥梁宽度相应变大，盖梁也越来越宽。其中，大悬臂盖梁的受力相对小悬臂盖梁的受力更为不利，本文以广东某高速公路为背景，对其中的大悬臂双柱式桥墩的盖梁进行了计算分析。

2基本资料

上部结构为4x25先简支后结构连续小箱梁，桥宽18.65m，横向7片小箱梁，各墩设置橡胶板式支座，混凝土标号盖梁C40、墩身C35、桩身C30。墩身采用直径1.4m双墩柱，盖梁截面为矩形，总长19.25 m ,两侧各悬臂6.03m ,两墩柱中心间距为6.5 m。盖梁顺桥向顶宽1.8 m，根部高2 m，端部高1 m，盖梁由根部到端部采用直线形过渡。小箱梁盖梁采用15.2钢束，钢束均从盖梁顶过。钢束分上下两排布置，上排布置4股，一股14根；下排布置4股，一股13根。

图1 大悬臂盖梁桥墩一般构造图

3结构模型及计算过程

3.1计算方法

计算采用Midas 2010进行空间杆系分析，根据桥梁施工流程划分结构计算的施工阶段。根据荷载组合要求的内容进行内力、应力、主梁极限承载力计算，按预应力A类构件验算结构在施工阶段、使用阶段应力、极限承载力及整体刚度是否符合规范要求。

3.2计算模型

取全桥上下部进行计算，模型按照盖梁，桥墩，桩基的实际尺寸建立单元。按实际位置和约束情况模拟支座。桩基的约束完全根据桥址处的地址状况，采用弹性约束模拟大地对桩基的约束。

计算模型如图2所示。

图2盖梁计算模型

3.3荷载的确定

计算预应力盖梁不需要建立全桥模型,无论是施工过程中还是成桥以后,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,可以将上部结构的计算结果中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相应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、徐变和预应力效应等永久荷载。

对于可变荷载来说，汽车活载布置可以在空间杆系程序里用自定义车辆的方法来自动完成。一般来说，在建模过程中，活载支反力计算方法可分成以下两种：其一是进行盖梁及墩柱建模的同时，建立一道虚拟的加载梁，盖梁与虚拟梁建立主从约束连接，从而实现反力的传递，活载作用在虚拟加载梁上：其二是只建立盖梁及墩柱模型，按规范考虑车轮在桥梁横向可能的行车位置，从而将汽车活载加载到盖梁。笔者通过计算对两种方法进行了比较，得到了基本一致的计算结果。本文中，预应力盖梁计算采用了第一种方法。

3.4施工阶段划分

(1)浇筑盖梁，对称张拉上排N1，N2，N3，N4 钢束；(2)架设小箱梁；(3)浇筑现浇层钢束；(4)张拉下排N5，N6，N7，N8，桥面铺装及防撞墙等二期恒载施工。小箱梁盖梁采用15.2钢束，钢束均从盖梁顶过。钢束分上下两排布置，上排布置4股，一股14根；下排布置4股，一股13根。

图3 盖梁钢束布置图

4计算结果分析

4.1施工状态应力验算

按照新《公桥规》第7.2.8条规定，在预应力和构件自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力应符合：压应力≤0.70，拉应力≤0.70。

本桥施工时混凝土强度已达到标准强度的80%，故压应力允许值0.70＝0.70×0.80×26.8＝15.00MPa；拉应力允许值0.70＝0.70×0.80×2.4＝1.344MPa。施工阶段截面边缘混凝土的最大压应力为12.5 MPa、最大拉应力为1.21 MPa。

4.2承载能力极限状态强度验算

按照桥规持久状况承载能力极限状态计算要求，主梁应满足正截面抗弯强度、斜截面抗剪强度和抗扭强度的要求。

4.2.1正截面抗弯强度验算

按照规范JTG D62-2004第5.1.5条，进行主梁承载能力极限状态内力组合，将预应力钢筋作为结构抗力的一部分，考虑预加力引起的次效应，并考虑普通钢筋的作用，得到结构内力。由上图可见，所有截面的弯矩均处于弯矩包络图内部，结构抗弯承载力均满足要求。

图4 盖梁截面弯矩包络图

4.2.2斜截面抗剪强度验算

斜截面抗剪强度验算取用的荷载效应为基本组合效应值，按照新《公桥规》

第5.2.9条验算截面尺寸，按照第5.2.7～5.2.8条验算斜截面抗剪承载力。

图5盖梁斜截面剪力包络图

4.3持久状况正常使用极限状态验算

按照正常使用极限状态的要求，采用作用短期效应组合和长期效应组合，按预应力混凝土全预应力构件进行抗裂验算。

4.3.1正应力验算

按照规范JTGD62-2004第6.3.1条，正截面抗裂应对构件正截面混凝土的拉应力进行验算，对于预应力混凝土预应力A类构件，在荷载短期效应组合下，应满足：；在荷载长期效应组合下，应满足：。

图 6 长期、短期效应组合正截面混凝土的拉应力图

长期效应组合正截面混凝土的最大拉应力0Mpa，满足；短期效应组合正截面混凝土的最大拉应力0.54Mpa，满足；正常使用阶段正截面抗裂满足规范要求。

4.3.2主拉应力验算

按照规范JTGD62-2004第6.3.1-8条，斜截面抗裂应对构件斜截面混凝土的主拉应力进行验算，对于预应力混凝土A类现场浇筑构件，在作用短期效应组合下，应满足：。

图7 短期效应组合截面主拉应力图

由上图可见，梁在正常使用阶段斜截面最大主拉应力0.74MPA，斜截面抗裂满足规范要求。