城市橋梁預制拼裝蓋梁結構設計及計算探析

魏 瀾

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350003)

0 引言

隨著我國城市橋梁建設的迅猛發展和城市道路快速化改造的大力推廣，城市高架橋建設越來越受到政府、建設單位和施工單位等的重視。尤其是高架橋下部結構的傳統施工方法常常會阻斷交通，產生大量噪聲，對周邊環境影響較大。如何在保證施工質量前提下，盡可能減少高架橋下部施工對交通、環境等的影響，使橋梁建設真正做到安全、經濟、適用和美觀，是一個值得思考探索的問題[1-2]。

橋梁結構預制裝配化是加快橋梁施工、減少施工對交通、環境等影響的有效途徑。近年來，隨著國家大力推行預制裝配化建筑以及建筑工業化，橋梁下部結構預制拼裝技術得到了快速發展，國內外眾多專家學者對預制橋墩、蓋梁受力性能、連接方式和施工工藝等[3]展開了大量的試驗和理論研究。目前，預制立柱常見連接方式有預應力筋、灌漿套筒、灌漿金屬波紋管等連接形式；預制蓋梁按照根據分段方式的不同分為整體式、分段式和分層式3種類型。因此，橋梁下部的預制裝配化將成為今后市政橋梁建設的大趨勢。

本文以福州市新店外環路西段道路工程為背景，分析市政橋梁預應力預制拼裝蓋梁設計要點和受力特點，以推廣預制拼裝蓋梁技術在市政橋梁工程中的應用，并為同類型工程設計提供參考。

1 工程概況

福州市新店外環路西段道路工程位于福州市晉安區新店片區，項目起點地面輔路接龍頭路、主路接繞城高速公路，終點接新店外環路東段，為城市主干路。福州市新店外環路西段道路工程與三環路(西嶺互通至園中互通段)、北二通道、繞城高速(西嶺互通至古城互通段)組成新店外環快速系統，對新店片區交通環境將有較大改善。

主線高架橋標準寬度為25.5 m，橋梁荷載采用城-A級荷載。主線橋上部結構主要采用鋼板組合梁、鋼箱梁和等高預應力混凝土箱梁；下部結構主要雙柱式預制拼裝框架墩，其中蓋梁采用預制預應力混凝土蓋梁，如圖1所示。

圖1 主線高架橋橫斷面示意圖

本文主要介紹主線高架橋預制預應力混凝土蓋梁的結構設計，并進行有限元模擬和受力結果分析。

2 結構設計

本文選取典型跨3 m×35 m鋼板組合梁下部框架墩柱進行分析。橋墩立柱截面尺寸為1.6 m×1.6 m，均高7 m左右。蓋梁在道路中心線處高1.9 m，橫橋向寬25.2 m，順橋向寬2.2 m，總重約為220 t。蓋梁的構造示意圖如圖2所示。

圖2 蓋梁構造示意圖(單位：cm)

蓋梁的混凝土強度等級為C50，預應力鋼束共布置10束，規格均為13-15Φs15.2。分兩次張拉，張拉順序按照“對稱張拉，先長束后短束”的原則，待橫梁濕接縫混凝土強度和彈性模量均到達100%后，先張拉第一批鋼束T1、T2；待鋼梁架設完畢后，張拉第二批鋼束T3、T4。鋼束布置形式如圖3所示。

(b)剖面圖3 鋼束布置示意圖

(a)立面

3 有限元模型

蓋梁的結構計算采用有限元軟件MIDAS CIVIL 2019[4]，按照A類預應力混凝土構件進行受力分析。為了更真實模擬蓋梁的受力情況和邊界條件，本次建模包括蓋梁、立柱以及樁基礎，基礎采用4根直徑1.2 m鉆孔灌注樁基礎。蓋梁、立柱和樁基均采用桿系單元模擬，并在蓋梁頂設置虛擬加載橫梁，樁基礎按照地質情況設置土彈簧模擬樁土作用。下部整體模型如圖4所示，共計185個節點，174個單元。

圖4 下部有限元模型

本次加載的永久作用主要包括一期恒載、二期鋪裝荷載，并考慮混凝土的收縮徐變作用?？勺冏饔弥饕ㄕw升溫25℃，整體降溫23℃，以及由縱向車道荷載換算的橫向移動荷載。并根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)[5]中的相關規定進行效應組合、驗算分析。

施工工況根據實際施工順序進行合理劃分，具體如下：

(1)墩柱及基礎施工，搭設臨時墩；

(2)蓋梁分節段吊裝安裝；

(3)濕接縫施工；

(4)張拉第一批鋼束(T1、T2)；

(5)拆除臨時墩；

(6)架設上部鋼梁；

(7)張拉第二批鋼束(T3、T4)；

(8)橋面系施工。

4 計算結果分析

4.1 短暫狀況(施工階段)應力驗算

提取有限元模型在施工階段(5)～(8)中蓋梁上下緣正應力計算結果，如表1所示。

表1 蓋梁上下緣正應力

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)[6]中第7.2.8條，A類預應力混凝土受彎構件，在預應力和構件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應力應符合下列規定：

由表1可知，蓋梁在各施工階段荷載作用下，最大壓應力為16.08 MPa(施工階段7上緣正應力)，最大拉應力為1.25 MPa(施工階段5下緣正應力)，均小于規范限值，滿足設計要求。

4.2 持久狀況(使用階段)應力驗算

提取有限元模型在使用階段的蓋梁正截面法向應力和斜截面主壓應力結果，分別如圖5和圖6所示。

(a)上緣正應力

(b)下緣正應力圖5 使用階段蓋梁正截面法向應力(MPa)

圖6 使用階段蓋梁斜截面主壓應力(MPa)

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)[6]中第7.1.5、7.1.6條，使用階段預應力混凝土受彎構件正截面混凝土的壓應力應該符合下列規定：

σkc+σpt≤0.5fck=0.5×32.4=16.2 MPa

使用階段預應力混凝土受彎構件斜截面混凝土的主壓應力應該符合下列規定：

σcp≤0.6fck=0.6×32.4=19.44 MPa

式中：σkc為作用標準值產生的混凝土法向壓應力；σpt為預加應力產生的混凝土法向壓應力；fck為混凝土軸心抗壓強度標準值。

由圖5可知，蓋梁在使用階段的最大法向正應力為15.81 MPa，小于規范限值16.2MPa；由圖6可知，蓋梁在使用階段的最大斜截面主壓應力為15.81 MPa，小于規范限值19.44 MPa。因此，蓋梁在使用階段的正截面混凝土的壓應力和斜截面主壓應力均滿足規范要求。

4.3 持久狀況抗裂驗算

提取有限元模型在短期效應組合和長期效應組合作用下的計算結果，如圖7～圖8所示。

(a)上緣正應力

(b)下緣正應力

(c)主拉應力圖7 蓋梁正截面短期應力(MPa)

(a)上緣正應力

(b)下緣正應力圖8 蓋梁正截面長期應力(MPa)

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)[6]中第6.3.1條，正截面抗裂應對構件正截面混凝土的拉應力進行驗算，并應該符合下列規定：

對于A類構件，在短期效應組合下，混凝土拉應力應該滿足：

σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65=1.855 MPa

同時，在長期效應組合下，截面不出現拉應力；在短期效應組合下，混凝土主拉應力應該滿足：

σtp≤0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa

由圖7、圖8可知，蓋梁在短期效應組合和長期效應組合下均未出現拉應力，且主拉應力最大值為0.61MPa，均滿足規范要求。

4.4 持久狀況承載能力驗算

蓋梁在長期效應組合作用下彎矩、剪力的效應和抗力的包絡圖如圖9所示。

(a)抗彎承載能力(kN·m)

(b)抗剪承載能力(kN)圖9 承載能力包絡圖

其中，彎矩、剪力抗力值分別是按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)[6]中第5.2.2、5.2.9條規定計算求得。由圖9可知，蓋梁的抗彎和抗剪承載能力均滿足規范要求。

5 結語

(1)由于高架橋蓋梁的橫向尺寸一般較大，一般采用橫向分段形式以減少節段自重。同時，預制蓋梁的節段劃分應考慮施工現場吊機吊裝能力和施工的便捷性。本蓋梁分兩節段預制吊裝，節段間用濕接縫連接。

(2)本蓋梁預應力鋼束張拉采用分批張拉(2次)，利用有限元軟件MIDAS CIVIL進行施工階段和使用階段仿真建模，并結合規范進行驗算，蓋梁的應力和承載能力均滿足規范要求。

(3)該項目下部采用蓋梁分節段預制拼裝技術，大大減少了市政橋梁建設對周邊環境的影響，并在保證施工質量的前提下減少了施工工期，有利地促進橋梁下部預制拼裝技術的快速發展，對后期城市橋梁的快速化施工奠定堅實的基礎。但是，當橋墩高度較高時，因吊裝要求更高、施工精度控制更難，在目前技術條件下，蓋梁一般仍采用現澆施工，本項技術一般適用于墩高在8 m～10 m之間。