大跨度预应力混凝土预制拼装盖梁设计

任安忠

摘 要：本研究以徐州市解放北路上跨陇海铁路立交桥项目中的大跨度预应力混凝土预制拼装盖梁结构为分析对象，通過建立空间杆系模型，分别对施工过程中及桥梁运营中应注意的问题进行受力分析，验证预制拼装盖梁技术的可行性和合理性，为以后的大跨度预制拼装盖梁设计与应用提供借鉴。

关键词：大跨度;预应力混凝土;预制拼装盖梁;设计

中图分类号：U442.5    文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2022）9-0092-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.020

Design of Long-Span Prestressed Concrete Prefabricated Cover Beam

REN Anzhong

（China Railway Shanghai Design Institute Group Corporation Limited， Shanghai 221000，China）

Abstract：This study takes the long-span prestressed concrete prefabricated and assembled cover beam structure in the Longhai Railway Overpass Project on Jiefang North Road in Xuzhou City as the analysis object. The force analysis of the problem is carried out to verify the feasibility and rationality of the prefabricated assembled cover beam technology， and to provide a reference for the design and application of the large-span prefabricated assembled cover beam in the future.

Keywords： long-span; prestressed concrete; prefabricated cover beam; design

0 引言

近年来，随着城市的发展，既有的下穿铁路立交桥已不能满足城市发展的需求，需要进行扩容改造，为了减小对运营铁路的影响和保留既有下穿立交的使用和通行，改造工程常采用大跨度预应力混凝土盖梁跨越既有立交结构，将墩柱放在立交结构以外。本研究以徐州市解放北路下穿陇海铁路立交扩容项目为背景，既有下穿铁路立交为（6.7 m+10 m+6.7 m）三孔低高度钢筋混凝土梁桥。中间桥孔通行机动车，两边孔通行非机动车及行人。该项目扩容改造后要求保留既有下穿铁路立交通道，主车道采用桥梁形式上跨陇海铁路，桥梁下部结构的选型对保留既有下穿立交的使用功能有很大影响，为此本项目桥梁下部结构采用了大跨度预应力混凝土预制拼装盖梁+双矩形立柱桥墩设计方案。

徐州市解放北路上跨陇海铁路立交为城市主干路，设计速度50 km/h，主线双向6车道，设计荷载为城—A级。该设计对其中的大跨度双柱式桥墩的盖梁进行了计算分析。

1 工程概况

1.1 基本资料

主线高架标准桥宽为24.50 m，上部结构为3 m×30 m先简支后连续小箱梁，横向8片小箱梁，橡胶板式支座，下部结构采用大跨度预制拼装盖梁+双矩形立柱桥墩形式。盖梁中心高度为3.05 m，纵桥向顶面宽为1.10 m，底面宽为3.00 m。盖梁跨度长为17.70 m，全长为24.67 m，预应力混凝土结构，采用分段工厂预制、现场拼装施工方式。桥墩为矩形双立柱，立柱中心间距为17.70 m，尺寸为1.80 m（顺桥向）×1.60 m（横桥向），角点处采用R=0.15 m的圆倒角。标准桥墩基础采用2根直径为1.80 m钻孔灌注桩。盖梁的构造尺寸见图1。

1.2 预应力钢束布置

盖梁预制段采用C50高性能自密实混凝土，现浇段采用C55收缩补偿混凝土，预制墩身采用C40高性能自密实混凝土，承台采用C30混凝土，桩基采用C30水下混凝土，盖梁采用φs15.2高强度低松弛预应力钢绞线，钢束均从盖梁底过。钢束N1、N2、N3、N4分四排布置：N1、N2、N3布置3股，N1、N2每股12根，N3每股15根;N4布置2股，每股15根。

预应力盖梁钢束布置见图2。

1.3 施工流程划分

现场浇筑桩基、承台（承台中预埋立柱钢筋，工厂同步预制立柱和盖梁节段，立柱底部及盖梁底部处预埋套筒）—立柱安装—钢筋连接、套筒灌浆—高强水泥灌浆料达到强度要求—吊装拼接两侧墩顶节段—盖梁与立柱钢筋连接、套筒灌浆—吊装中间预制节段盖梁—现浇段钢筋连接—高强水泥灌浆料达到强度要求—现浇段浇筑—钢束N1-1、N2-1、N3-1、N4张拉—小箱梁架设—钢束N1-2、N2-2、N3-2张拉—桥面铺装及防撞墙等二期恒载施工。

2 结构建模分析

2.1 计算方法

计算采用桥梁博士v3.5进行空间杆系分析，根据桥梁结构施工流程来确定结构计算的阶段荷载工况。建模需在符合工程规范及荷载组合要求的前提下进行结构内力、应力、极限承载力计算，预应力混凝土盖梁结构按照预应力A类构件在施工阶段、运营阶段应力、极限承载力及整体刚度进行验算[1]。

2.2 计算模型

计算预应力混凝土盖梁不需要建立全桥模型，无论是施工过程中还是成桥及运营以后，上部结构荷载都将通过支座传递到盖梁上，故在盖梁设计时，将上部结构荷载按照集中力作用在支座处，一期恒载为梁体自重，二期恒载为铺装、防撞护栏等，活载按照城—A级[2-3]。取桥梁下部结构进行分析计算，模型按照盖梁、桥墩的实际尺寸建立单元分析。

3 计算结果分析

3.1 施工阶段应力分析

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG 3362—2018》（以下简称《公桥规》）[1]第7.2.8条规定，在构件自重和预应力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[σtcc≤0.70f'ck]，拉应力[σtct≤0.70f'tk]。

下部结构预制构件拼装施工时构件混凝土强度已达到标准强度的90%，故压应力允许值[0.70f'ck=0.7×0.9×32.4=20.41 MPa]，拉应力允许值[0.70f'tk=-0.7×0.9×2.65=-1.67 MPa]。

由表1可见，施工阶段混凝土的最大压应力为8.2 MPa、最大拉应力为0.4 MPa，均满足要求。

3.2 正常使用极限状态验算

3.2.1 应力验算。按照《公桥规》第7.1条规定，预应力混凝土构件持久状况设计时，应力计算时其值取标准值，正应力允许值[0.50f'ck=0.5×32.4=16.2 MPa]，主应力允许值[0.50f'ck=0.6×32.4=19.44 MPa]。盖梁截面上下缘的正应力及主应力见表2。由表2可见，盖梁在持久状况下混凝土的正应力和主应力均满足要求。

持久状况预应力钢束拉拉应力允许值[0.65f'pk=-0.65×1 860=-1 209 MPa]，应力见表3。

由表3可见，盖梁在持久状况下预应力钢束的拉应力满足要求。

3.2.2 抗裂验算。按照《公桥规》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A类预应力类混凝土构件，在荷载短期效应组合下拉应力允许值[σst-σpc≤ftk=0.7×2.65=1.86 MPa];在荷载长期效应组合下拉应力允许值[σ1t-σpc≤0]。按照规《公桥规》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A类预应力混凝土预制拼装构件，在作用短期效应组合下主拉应力允许值[σtp≤0.50ftk=0.5×2.65=1.33 MPa]。

①频遇组合效应。频遇组合效应下盖梁截面上下缘的最小正应力及主拉应力见表4。

由表4可知，盖梁在频遇组合效应下的正截面、斜截面抗裂均满足要求。

②准永久组合效应。准永久组合效应下盖梁截面上下缘的最小正应力见图3。

由表5可见，盖梁在准永久组合效应下的抗裂满足要求。

3.3 承载能力极限状态强度验算

3.3.1 正截面抗弯强度验算。按照《公桥规》第5.1.2条，正截面抗弯强度验算时荷载效应为基本组合效应值。

基本组合下盖梁最大弯矩及其对应的抗力见图4。

由图4可知，承载能力极限状态下盖梁最大弯矩出现在跨中位置为3 730 4 kN·m，该处抗弯承载力设计值为56 402 kN·m，所有截面的弯矩均处于弯矩包络图内部，盖梁的正截面抗弯强度满足要求。

3.3.2 斜截面抗剪强度验算。斜截面抗剪强度验算时荷载效应为基本组合效应值，按照《公桥规》第5.2.13条验算截面尺寸，按照第5.2.11、5.2.12条验算斜截面抗剪承载力，按照第8.1.6条验算结合面抗剪承载力。

基本組合下盖梁的剪力包络图见图5。

由图5可见斜截面最大剪力为6 609 kN、抗剪强度为10 359 kN，盖梁截面尺寸及斜截面抗剪强度均满足要求。

4 结语

盖梁采用大跨度预应力混凝土结构，可以尽可能地少设墩柱，横桥向跨越能力强，桥下空间大，满足桥下通行需求，大跨度预应力盖梁不仅将桥梁上下部结构融为一体，而且还充分体现出轻、巧、柔的特性，使桥梁本身和周围的环境协调一致，符合人们的审美要求[4]。但预应力盖梁设计相对复杂，施工技术要求较高，特别是在预制情况下使用的大跨度盖梁受力更为复杂。通过分析，盖梁的强度、刚度、稳定性均满足规范要求，工程下部结构设计是安全可靠、经济合理的，施工中严格按设计的顺序张拉钢束。

因此，城市桥梁上下部结构采用预制拼装施工技术，施工速度快、施工期对周围交通及环境干扰少、经济效益显著，为城市高架桥梁的集成化建设带来方便。

参考文献：

[1] 中华人民共和国交通运输部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[2] 中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[3] 中华人民共和国交通运输部.公路工程技术标准：JTG B01—2014[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[4] 江甫，侯玉成.大跨度预应力盖梁设计讨论[J].城市道桥与防洪，2014，5（5）：103-104，117.