大悬臂预应力混凝土盖梁计算分析（交通）
荣向波 李学有
（中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430056）
摘要城市桥梁建设中，为提高土地利用率，大悬臂预应力混凝土盖梁往往成为优选方案。结
合某工程实例，介绍大悬臂预应力混凝土盖梁的设计思路和设计方法。计算结果表明，墩柱与盖梁连接处结构受力复杂，多为结构设计的控制性截面；结构计算时应准确模拟盖梁施工过程，合理选择预应力钢束张拉顺序和张拉时机，保证施工过程结构安全。
关键词 桥梁工程预应力混凝土盖梁设计计算分析有限元法
城市桥梁建设过程中，桥梁上、下部结构型式的选择，既要考虑与周边环境协调，满足城市桥梁景观要求，又要考虑桥下地面层交通组织的需要，尽可能节约用地提高土地利用率、拓展桥下净空。鉴于此，桥梁下部结构选型时，原则上应尽量少设置墩柱，桥墩底部尽量往中间靠拢，减少对桥下环境的影响，大悬臂预应力混凝土盖梁能很好地满足这一设计要求，往往成为工程设计的优选方案。
文章结合漳州市厦漳同城大道中采用的大悬臂预应力混凝土盖梁，对该类型盖梁的设计思路、设计方法进行探讨，可为同类型桥梁盖梁的设计提供借鉴和参考。
1设计概况
1.1技术标准
(1)桥梁定位。城市快速路。
(2)设计车速。80 km/h。
(3)设计荷载。城-A级。
(4)桥面宽度。16.5 m。
1.2依托工程介绍
南门大桥是厦漳同城大道沿线的一座控制性桥梁工程，桥梁上部结构采用11×30 m预应力混凝土先简支后结构连续小箱梁，横桥向由6片小箱梁组成。
下部结构受桥下交通组织的制约，要求墩柱尽量往路线中心靠拢，因此传统的桩柱式桥墩不能满足项目要求，经综合比选，下部结构采用大悬臂预应力混凝土盖梁，桥墩墩身采用双柱拱形门洞型式。
桥梁墩高7.0 m，盖梁顶部全宽15. 05 m，墩柱中距3.9 m，盖梁悬臂端部至墩柱中心距离为5. 575 m。盖梁悬臂端部高1.0 m，根部高1.8m。桥墩截面厚度1.7 m。墩柱采用矩形墩，截面尺寸1.7 m×1.7 m。盖梁与墩身立柱采用圆弧过渡衔接，主要尺寸见图1。
盖梁采用C50混凝土，墩柱采用C40混凝土，承台及桩基采用C30混凝土。
1.3盖梁预应力体系
传统的墩柱式桥墩盖梁，盖梁翼缘端部至墩柱中心的距离与墩柱中心距离的比值在0.3～0.4之间，本次考察的盖梁该比值为1. 43，远大于传统盖梁间距，盖梁翼缘的长悬臂效应非常突出，盖梁内需要配置预应力钢束以改善盖梁受力状态。
按A类预应力混凝土构件进行盖梁设计，预应力钢绞线采用抗拉强度标注值f p k=1 860
M Pa、公称直径d=15.2 mm的低松弛高强度钢绞线。预应力管道采用塑料波纹管，真空辅助灌浆工艺，管道摩擦系数取0. 17，管道每米局部偏差对摩擦的影响系数取0. 0015，张拉端锚具变形、钢束回缩按每端6mm考虑。
盖梁内共布置10根预应力钢束，其中N1a，N1b，N2a，N2b采用17 
15钢束，N3采用12 15钢束。盖梁预应力钢束布置见图2。
1.4盖梁施工顺序
预应力盖梁施工过程中，其截面上下缘应力需满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62 - 2004)7.2.8条对于短暂状况应力状态的相关要求，为此钢束应分批张拉，其施工步骤为：①桥墩及帽梁现浇完成，待混凝土强度达到90%设计强度后张拉第一批钢束N1a，N2a，N3；②第一批钢束张拉完成后架设上构小箱梁（架设小箱梁时应从帽梁中间向两边对称架设）；③待两跨的小箱梁全部就位后张拉第二批钢束N1b、N2b，然后进行简支变连续上构体系转换；④施工桥面铺装及附属设施等二期恒载。
2盖梁的杆系结构计算
2.1模型建立
采用Midas Civil 2013有限元程序建立桥墩计算模型，见图3。盖梁、墩柱采用空间梁单元模拟。
2.2计算参数
上部结构预制小箱梁采用架桥机进行架设，因此盖梁结构计算过程中，应考虑架桥机荷载，架桥机重量1 300 k N，结构计算时以集中力荷载进行模拟。大悬臂预应力盖梁设计考虑的主要参数有：
(1)恒载。包括预制小箱梁自重，二期恒载及桥墩重量，上部结构荷载通过支座传递至盖梁。
(2)支点沉降。墩身立柱考虑不均匀沉降5mm。
(3)汽车荷载。城-A级，考虑车道的不利布置，按横向加载进行计算，相应的汽车荷载值通过支座传递至盖梁。
(4)温度作用。考虑整体升温25℃，整体降温25℃。
2.3 承载能力极限状态计算结果
承载能力极限状态下，盖梁结构支点和跨中截面的承载力计算结果见表1。
大悬臂预应力混凝土盖梁，其翼缘根部截面承受较大的负弯矩，结构设计时翼缘根部一般为控制性截面。由表1可见，由于盖梁墩柱间距较小，基本组合下盖梁支点和跨中均承受负弯矩，支点和跨中截面的截面抗力均大于基本组合设计内力值，盖梁承载能力满足规范要求。
2.4正常使用极限状态计算结果
正常使用极限状态下，盖梁截面混凝土结构的抗裂验算结果见表2。
由表2可见，在短期效应荷载组合下，盖梁截面出现拉应力，最大拉应力出现在墩柱顶截面上缘，为0. 35 M Pa；在长期效应荷载组合作用下，截面未出现拉应力，最小压应力出现在墩柱顶截面上缘，为0.2 M Pa;在短期效应荷载组合下，盖梁截面主拉应力为0. 83 M Pa，主拉应力截面出现在墩柱顶截面位置，小于规范允许值1. 325 M Pa。经上述比较可知，正常使用极限状态下盖梁截面混凝土结构抗裂验算满足规范要求。
2.5 持久状况应力计算结果
使用阶段，盖梁截面混凝土结构持久状况应力计算结果见表3。
由表3可见，使用阶段混凝土截面最大压应力为14. 72 M Pa，出现在墩柱顶截面附近；混凝土截面最大主压应力为14. 72 M Pa，出现在墩柱顶截面附近；经比较，盖梁持久状况应力满足规范要求。
2.6短暂状况应力计算结果
按照2.5所述施工顺序进行盖梁施工过程模拟计算分析，计算结果见表4。
由表4可见，施工过程中盖梁截面最大压应力为14. 08 M Pa;盖梁截面最大拉应力为-1.1
M Pa;截面应力均满足规范要求。
大悬臂盖梁预应力钢束分段张拉，是盖梁合理受力状态的选择，就文章所分析的盖梁而言，若预应力钢束整体一次性张拉，则短暂状况应力值将超出规范限值，见表5。
由表5可见，若预应力钢束整体一次性张拉，则盖梁截面最大压应力和最大拉应力均不满足规范相关要求，因此对于此类盖梁设计，预应力钢束张拉顺序和张拉时机的选择，显得尤为重要，这一点需引起设计人员高度重视。
2.7杆系结构模型计算结论
(1)大悬臂预应力混凝土盖梁，运营阶段承受上部结构自重和车辆荷载作用，需要配置强大的预应力钢束抵抗外部荷载作用，但是预应力荷载的施加需要考虑外部荷载的施加顺序，如文章2.5节所述施工步骤，预应力钢束随荷载的增加分批张拉。若施工过程中，不考虑荷载的施加过程，一次性张拉盖梁预应力钢束，将造成不可挽回的损失。
(2)从前述计算结果可见，由于墩柱与盖梁刚性连接，导致该位置附近的盖梁截面受力较为复杂，往往成为盖梁结构的控制截面。就文章计算结果来看，承载能力极限状态计算、截面抗裂验算、持久状况应力计算等验算项目中，墩柱顶附近盖梁截面均为结构设计控制性截面。
3盖梁的实体模型计算
依据前述计算结果，盖梁与墩柱相接处结构受力计算较为复杂，为验证杆系结构模型结论，采用ANSYS建立实体单元进行复核验算，实体模型见图4。
通过计算得知，在长期和短期效应组合下，除悬臂端部钢束锚固区域出现较小的拉应力以外，盖梁其余部位均未出现拉应力，正截面抗裂满足规范要求。标注值组合下，盖梁上下缘正截面最大压应力值为14. 45 M Pa，与杆系结构计算结果较为吻合，满足规范要求。
4结语
(1)大悬臂预应力混凝土盖梁可以节约用地提高土地利用率，同时盖梁墩柱轻盈美观，与周围环境相协调、统一，已成为城市桥梁设计的优选方案。但此类盖梁结构受力较为复杂，结构计算时应准确模拟盖梁施工过程，合理选择预应力钢束张拉顺序和张拉时机，确保盖梁施工及运营阶段的结构安全。
(2)结合漳州市厦漳同城大道采用的大悬臂预应力混凝土盖梁，介绍了该类型盖梁的设计思路和设计方法，通过杆系结构计算结果和实体结构计算结果比较显示，文章采用的设计思路和设计方法可行，可为同类型盖梁设计提供借鉴和参考。
