预制装配式桥梁下部结构参数优化设计

张金康 姚 凯 傅晨曦 王 猛

（1 南京市公路事业发展中心；2 华设设计集团股份有限公司）

0 引言

近些年来，预制装配式桥梁因其设计标准化、施工质量高、工程造价低、安全风险小、施工速度快、绿色又环保等诸多优点而被逐渐应用于各类桥梁工程中[1-4]，如：2002 年建造的东海大桥采用了矩形薄壁空心桥墩，进行节段预制装配[5]；2003 年上海沪闵高架二期工程同样应用了预制节段装配体系；随后，杭州湾大桥、舟山金塘大桥、上海长江大桥等工程也相继采用预制装配技术，实现高效、优质、耐久的建设目的。

相对于现浇构件而言，下部结构盖梁及桥墩的多样化难以形成标准制品，且预制构件对尺寸和重量的要求较高，运输、安装、连接等问题突出，相关内容尚未形成业内参考标准[6]，要求设计人员不断地对构件设计参数进行优化分析，但目前该方面的研究尚缺少参考实例。基于以上不足，以某城市高架桥为背景，建立Midas 有限元模型，对初步方案进行参数分析，得到优化方案，进而为预制装配式下部结构的设计及发展提供参考。

1 装配式下部结构初步方案

1.1 工程背景

某城市高架桥路线全长7.345km，预制桥梁全长约5km，桥梁占比高达68.07%。标准段桥梁全宽33m，双向六车道，为提高建造效率、减少施工对周围环境的影响，采用全预制装配式混凝土桥梁（上部结构为简支小箱梁，下部结构为柱式桥墩以及整体式倒T 型盖梁）。桥梁横断面布置情况如图1 所示。

图1 桥梁横断面布置

1.2 初步设计

背景工程穿行多条城市干道，主要难点有：①对施工效率、环境保护等提出了较高的要求；②附近道路、建筑等构筑物多，土地资源紧张；③扩建起点、终点均和既有道路相接，桥梁建筑高度受限。通过分析后认为，采用全预制装配式结构，选取合理的型式，可以较好地解决建造过程中存在的难题。

为减少下部结构数量，上部结构采用30m 标准跨径的简支小箱梁的结构体系。由于盖梁截面较高，所受弯矩较大，为减小对桥下空间的占用面积，采用倒T 盖梁型式，并在下方设置矩形墩。根据桥宽及墩柱布置方式的不同，全桥共设置A～D 共4 类盖梁，其中标准段盖梁见图2 所示。

在初步设计方案中，倒T 盖梁截面尺寸参数如图3所示，其数值见表1 所示。该方案在验算时，各项指标均符合相关规范要求，但盖梁的总体重量较大，不利于运输和吊装，需要对该方案进行参数优化。

图2 标准段盖梁型式

图3 盖梁截面尺寸示意

表1 倒T 盖梁截面尺寸初始方案设计值 (cm)

2 方案优化

在表1 所示的五个参数中，上顶高度和上部结构小箱梁的高度有关，牛腿宽度需要满足抗震的构造要求，均无法更改，因此，可以继续优化的参数为：倒T 盖梁高度H、倒角高度h、上顶宽度B。采用桥梁通用有限元软件Midas/Civil 建立标准段下部结构的数值模型，如图4 所示。经试算，盖梁控制设计的指标为：使用阶段抗裂性（按照预应力A 类构件进行设计）和正截面抗弯承载力。

图4 下部结构Midas 模型

2.1 倒T 盖梁高度优化分析

将盖梁截面倒T 高度由190cm 依次改成180cm、170cm、160cm、150cm、140cm、130cm、120cm，对盖梁在频遇组合及准永久组合下的抗裂性及使用阶段正截面抗弯承载能力进行验算，各项指标的变化情况见图5～图8 所示。

图5 频遇组合截面最大拉应力变化情况

图6 准永久组合截面最大拉应力变化情况

图7 截面抗弯承载能力变化情况

图8 截面弯矩能需比变化情况

从以上计算结果可发现，随着倒T 盖梁高度的增加，频遇及准永久荷载组合下截面最大拉应力值有所减小，截面弯矩值、需求值及能需比有所增加。当盖梁高度在150cm～160cm 时，各项指标均可以较好地符合设计要求，且截面承载能力尚有10%～15%的富余度；此时，经计算，相对于初始方案，其自重减小了15%～20%。

2.2 倒角高度优化分析

将盖梁截面的倒角高度由60cm 依次改成50cm、40cm、30cm、20cm、10cm、0cm，对设计控制指标进行计算，结果如图9～图12 所示。

图9 频遇组合截面最大拉应力变化情况

图10 准永久组合截面最大拉应力变化情况

图11 截面抗弯承载能力变化情况

图12 截面弯矩能需比变化情况

从中可见，频遇及准永久荷载组合下截面最大拉应力值随倒角高度增加而降低，截面弯矩值、需求值及能需比随倒角高度增加而增加。综合构件的美观性和承载能力情况，当倒角高度控制在30cm～40cm 范围内时较为理想，此时可以保证弯矩富余度在15%以上，但盖梁自重减小百分比却在10%以下。

2.3 上顶宽度优化分析

由于盖梁上顶处需要张拉预应力，宽度过小会给布束带来麻烦，综合考虑布置预应力筋时的构造要求和影响规律分析所需数据的数量，将盖梁上顶宽度由120cm依次改成110cm、100cm、90cm、80cm、70cm、60cm，对控制指标进行计算，结果如图13～图16 所示。

图13 频遇组合截面最大拉应力变化情况

图14 准永久组合截面最大拉应力变化情况

图15 截面抗弯承载能力变化情况

图16 截面弯矩能需比变化情况

根据计算结果可见，随着盖梁上顶宽度的增加，使用阶段频遇及准永久荷载组合下截面最大拉应力先减小后增加，截面弯矩需求值及能力值略有增加，但截面弯矩能需比却基本没有变化。由于盖梁设计为预应力混凝土构件，需要添加两列或者三列的预应力钢束，综合考虑波纹管及锚具的尺寸、构造要求，盖梁上顶宽度在90cm～100cm 时较为理想。

2.4 优化方案

对以上三个设计参数中的两个或三个同时进行更改，进而确定标准段盖梁最优的设计参数。根据各个指标增量的对比分析，及反复的试算，结合相关构造要求，最终确定了如下的优化方案：

倒T 盖梁高度160cm，倒角高度40cm，盖梁上顶宽度100cm。

此时，优化方案各项验算指标的计算结果见表2 所示，与初始方案的经济性对比情况见表3 所示。

从以上计算及对比情况来看，优化方案不仅满足各项指标的要求，而且自重降低了16.18%，经济性降低了16.17%，可见优化方案可以降低成本，有利于运输和安装，较初始方案更为理想。

表2 优化方案各项验算指标计算结果

表3 初始方案与优化方案经济性对比

3 结论

以某城市高架桥为工程背景，建立了下部结构初步方案的有限元模型，对标准段盖梁截面的设计参数进行分析，得到了优化方案，主要工作和结论有：

⑴在对装配式盖梁进行设计时，需要注意运输和吊装时构件重量的限制，在满足相关设计要求的同时，尽量降低盖梁的设计尺寸，对相关参数进行反复的优化分析；

⑵对倒T 盖梁的设计参数进行了数值计算，探明了盖梁控制设计指标随截面尺寸的变化规律；

⑶综合考虑设计、美观、运输、吊装、经济等多方面因素，提出了一种满足要求的盖梁优化方案，为以后预制装配式下部结构的设计及优化提供了参考。