大悬臂预应力盖梁设计浅析

2022-12-08

城市桥梁受周围环境、交通要求以及景观要求等限制, 对桥梁下部结构型式有较高要求。大悬臂预应力盖梁造型简单大方、既能节省桥下空间, 又能满足交叉口视距及通透性要求, 因此城市高架桥中得到广泛应用[1,2]。下面以台州黄岩内环北路上跨江口放射线高架桥为背景, 介绍了大悬臂预应力盖梁的设计, 可供类似工程设计参考。

1. 工程概况

上跨江口放射线立交位于内环北路、江口放射线与安然东路交叉处。上跨江口放射线立交呈东西走向跨江口放射线处采用3×35m现浇连续箱梁, 跨越东官河处采用25+35+25m现浇连续箱梁, 其它段采用25m预制箱梁。桥梁总长为490m, 跨径布置为 (6×30m) 预制小箱梁+ (3×35m) 预应力现浇连续箱梁+ (25+35+25m) 预应力现浇连续箱梁+ (3×30m) 预制小箱梁。

2. 设计标准

①道路等级:为城市快速路;②设计车速为80km/h;③设计车道:双向6车道;④结构设计基准期为100年;⑤桥梁宽度:桥面标准宽度为25.5m, 断面组成为:0.5m (防撞护栏) +12m (车行道) +0.5m (中央分隔带) +12m (车行道) +0.5m (防撞护栏) ;⑥汽车荷载等级为城-A级;⑦抗震:桥梁抗震设防烈度为<Ⅵ度区, 简易设防。

3. 大悬臂预应力盖梁桥墩设计

3.1 盖梁构造尺寸

由于桥梁主线上跨, 为了充分利用桥下空间, 地面辅道设置在桥面宽度范围之内, 故下部结构桥墩采用大挑臂盖梁, 节省空间。本文以主跨35+35+35m的主墩盖梁为例, 简要讲述大悬臂混凝土盖梁的设计计算。

桥墩立柱采用双柱形式, 立柱底部截面尺寸为1.8m (宽度) x2.1m (厚度) , 在立柱顶部向两侧分开扩大。盖梁截面形式采用矩形, 盖梁宽23.8m, 悬臂长8m, 根部高为2.5m, 端部高1.2m, 顶宽2.7m, 两墩柱中心距为4.8m, 盖梁由根部到端部采用直线过渡衔接。

3.2 预应力体系

盖梁采用C50混凝土, 预应力钢束采用ΦS15.2钢绞线, 公称直径15.2mm, 公称截面积140mm。抗拉强度标准值fpk=1860MPa, 弹性模量E=p1.95×105, 预应力计算参数:孔道摩阻系数µ=0.16;孔道偏差系数k=0.0015;锚具变形与钢束回缩率 (一端) 6mm;张拉控制应力σ=con0.75f=pk1395MPa。

盖梁主要承受上部结构箱梁自重、二期桥面铺装恒载以及汽车活载, 盖梁预应力钢束由5N1, 4N2, 4N3组成, 每束12根钢绞线组成, 采用塑料波纹管成孔, 钢束采用两端张拉。张拉顺序为:张拉2根N2、4根N3束→吊装预制小箱梁→张拉剩余钢束→浇筑铺装及防撞护栏;钢束张拉完后, 应及时进行压浆。

根据以往经验, 盖梁的钢束不能一次性张拉, 建模时分为架梁前和架梁后两个阶段, 根据计算结果调整预应力的张拉次序。

本次盖梁预应力分两次张拉, 张拉步骤如下: (1) 下部结构盖梁施工完成, 待其强度达到设计强度的90%后, 张拉N2、N3号钢束并压浆。 (2) 架设小箱梁, 对称施工 (3) 对称张拉N1号钢束, 并对N1钢束孔道压浆 (4) 梁片架设完成后进行桥面铺装及防撞墙等二期恒载施工。

3.3 盖梁计算

盖梁计算采用空间结构分析软件Midas Civil2012建模分析。计算分析时采用空间梁单元建模, 将预应力盖梁划分成90个单元, 盖梁与墩柱中心线连接处假设为固定铰接, 盖梁有限元计算模型, 如图3、图4所示。

计算荷载分为:盖梁自重、箱梁自重, 桥面铺装重量、防撞护栏重量, 除盖梁自重外以上荷载均转化为集中荷载加在相应位置的支座节点上。活载采用公路-I级, 纵桥向采用单车道荷载作为集中力, 横桥向设置为6车道。

盖梁计算时, 需验算施工阶段。

3.4 计算结果分析

3.4.1 施工阶段盖梁应力验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004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下列规定:压应力σtcc≤0.7f'ck, 拉应力σtct≤0.7ftk′ (预拉区配置配筋率≥0.2%的纵向钢筋) 。

由计算结果可知, 施工阶段盖梁上缘只产生了微小的拉应力, 满足规范要求。

3.4.2 运营阶段盖梁应力验算

(1) 预应力混凝土受弯构件正截面受压区混凝土的最大压应力验算。

(2) 受拉区预应力钢筋最大拉应力验算,

(3) 盖梁正截面抗裂:混凝土拉应力验算。

(4) 盖梁斜截面抗裂验算:主拉应力验算。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTGD62-2004) 要求, C50号砼长期效应组合下正截面容许最大拉应力为0MPa, 短期效应组合下正截面容许最大拉应力1.855MPa, 斜截面容许最大主拉应力1.325MPa, 短期效应组合下箱梁正截面及斜截面抗裂性能均满足规范要求。通过Midas Civil2012对盖梁运营阶段各组合进行验算, 承载能力极限状态下正截面抗弯强度等也满足规范要求。