预应力混凝土隐形盖梁的设计及应用

预应力混凝土隐形盖梁的设计及应用

杨德厚

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉  430050）

摘要：本文结合某市政工程案例，分析计算了城市高架桥梁中预应力混凝土隐形盖梁的设计和应用。分析结果表明，在盖梁挑臂超过一定范围的情况下，预应力混凝土隐形盖梁能够显著降低盖梁高度，增加桥下车道布置，提高桥下行车视野，减少道路用地；同时结合隐形盖梁的结构计算，通过合理设置施工阶段预应力钢束张拉顺序，可保证施工阶段和运营阶段的结构安全。

关键词：城市高架桥  预应力混凝土  隐形盖梁  结构计算

The Design and Application of Prestressed Concrete Invisible Cover Beam

Yang Dehou

(CCCC Second Highway Survey, design and Research Institute Co., Ltd  Wuhan  430050）

Abstract: Based on a municipal engineering case, the design and application of prestressed concrete invisible cover beam in urban viaduct are analyzed and calculated in this paper. The analysis results show that when the cantilever of the cover beam exceeds a certain range, the prestressed concrete invisible cover beam can significantly reduce the height of the cover beam, increase the lane layout under the bridge, improve the driving vision under the bridge, and reduce the road land. At the same time, according to the structural calculation of the invisible cover beam, the structural safety of the construction stage and the operation stage can be ensured by setting the tension sequence of the prestressed steel beam reasonably.

Key words:urban viaduct；prestressed concrete；invisible cover beam；structural calculation

0引言

城市高架桥梁建设中，桥墩结构型式既要充分满足桥梁上部结构的要求，又要满足道路总体方案的需要，合理的盖梁型式和截面尺寸可以优化道路纵断，降低桥梁高度，增加桥下行车空间，节省工程造价。因此，隐形盖梁在城市高架桥梁建设中越来越成为盖梁结构的首选。

本文结合广东省佛山市某项目，对预应力隐形盖梁在城市高架桥中的应用进行了介绍，对设计思路和特点进行了探讨，可作为同类工程项目的借鉴和参考。

1 项目概况

1.1 技术标准

（1）道路等级：城市主干路；

（2）荷载等级：城-A级；

（3）设计速度：80km/h；

（4）桥梁宽度：36m；

（5）车道布置：主线双8+辅道双6。

1.2工程概况

本项目道路断面采用主八+辅六的断面型式，受道路红线控制，为利用桥下空间设置地面辅道，设置较大挑臂满足桥下辅道通行，因此传统的桥墩盖梁型式无法满足项目要求。

为增大盖梁截面承载能力，同时降低盖梁截面高度，结合项目特点提出了预应力隐形盖梁方案。盖梁截面采用“倒T”型式，桥墩采用双柱墩，墩柱布置在辅道中分带上。桥梁上部结构采用30m跨标准预应力混凝土小箱梁，横向共布置12片预制小箱梁。下部隐形盖梁为预应力结构，采用C50混凝土，盖梁全宽34.7m，墩柱间距10m。盖梁挑臂设置倒角，悬臂端尺寸为1.25mx3.2m，根部尺寸为2mx3.2m，梁底盖梁高度变化为1.25~2m，盖梁单侧挑臂长12.35m。墩柱为矩形截面，截面尺寸为2.2mx2.2m。桥墩结构主要尺寸见图1。

                        a)立面                                      b)侧面

图1 桥墩一般构造图（cm）

1.3盖梁预应力

普通盖梁柱式墩盖梁悬臂长度与墩柱中心距离的比值在0.4左右，挑臂长度不超过3m，本次设计盖梁挑臂长度达到12.35m，远大于普通盖梁挑臂长度，盖梁大挑臂效应较普通盖梁异常明显，盖梁通过布置预应力钢绞线平衡盖梁截面内力。

隐形盖梁内共布置12根预应力钢束，竖向共4排，预应力钢束规格为17Øs15，按A类预应力混凝土构件设计。隐形盖梁预应力钢束纵向和横断面布置见图2。

                           a)立面                                        b)剖面

图2 隐形盖梁预应力钢束布置图（cm）

1.4隐形盖梁施工顺序

对于预应力盖梁，钢束张拉顺序至关重要，分批次张拉和一次性张拉对于施工阶段盖梁截面上下缘应力影响非常大。为满足规范对施工过程中盖梁截面应力要求，本项目隐形盖梁采用分批张拉的施工顺序，具体施工步骤为：

①通过支架现浇施工桥墩及隐形盖梁；

②混凝土强度和弹性模量达到90%后开始张拉钢束N2和N4；

③拆除盖梁支架，通过汽车吊按照中间向两边对称架设的顺序架设上构小箱梁；

④小箱梁吊装完成后开始张拉钢束N1和N3；

⑤施工二期桥面系及相关附属部分；

⑥桥梁运行通车。

2 隐形盖梁结构计算

2.1模型建立

隐形盖梁和墩柱模型通过Midas Civil 2021有限元程序进行模拟，上部恒载通过节点荷载进行加载，上部汽车荷载通过虚拟横梁进行加载，隐形盖梁和桥墩墩柱均采用梁单元进行模拟，隐形盖梁模型见图3。

图3 预应力隐形盖梁midas civil模型

2.2计算参数

30m跨预制小箱梁采用梁场预制，运梁车运输至现场吊装架设的施工工艺，因此本项目隐形盖梁计算未考虑小箱梁架设设备的荷载。主要设计荷载参数见表1。

表1 隐形盖梁计算参数

2.3承载能力极限状态计算结果

通过计算，在持久状况承载能力极限状态，隐形盖梁基本组合下截面抗弯承载力计算结果见表2。

表2 隐形盖梁抗弯承载能力验算结果（kN.m）

由表2可见，盖梁挑臂根部为控制性截面，由于盖梁墩柱间距与盖梁挑臂长度的比值较小，在基本组合下隐形盖梁在墩顶和跨中位置均为负弯矩。通过计算可知，隐形盖梁的截面抗弯承载能力满足设计规范要求。

2.4 正常使用极限状态计算结果

通过计算，在持久状况正常使用极限状态下，隐形盖梁截面顶部和底部在频遇组合和准永久组合下的抗裂验算结果见表3。

表3 隐形盖梁混凝土抗裂验算结果（MPa）

由表3可见，隐形盖梁在频遇荷载组合作用下，盖梁截面均出现拉应力，其中最大拉应力为0.35MPa，位于墩顶截面的上缘；在准永久组合作用下，截面均为压应力，最小压应力为0.2MPa，位于墩顶截面上缘；在频遇组合作用下，隐形盖梁截面主拉应力为0.83MPa，位于墩顶截面。通过计算可知，正常使用极限状态下隐形盖梁截面抗裂验算满足设计规范要求。

2.5持久状况应力计算结果

通过计算，在正常使用阶段，隐形盖梁截面混凝土结构持久状况应力计算结果见表4。

表4 持久状况混凝土应力验算结果（MPa）

由表4可见，使用阶段隐形盖梁截面混凝土最大压应力为9.497MPa，位于墩顶截面周围；隐形盖梁斜截面混凝土最大主压应力为9.497MPa，位于墩顶截面周围。通过计算可知，隐形盖梁在持久状况正常使用极限状态下的应力验算满足设计规范要求。

2.6短暂状况应力计算结果

由于隐形盖梁挑臂较大，截面配置了大量预应力钢束，不同的预应力钢束张拉顺序对隐形盖梁短暂状况下的截面应力影响较大，因此施工过程中需考虑钢束分段张拉以控制截面应力。根据1.4节施工顺序，通过Midas Civil进行施工阶段模拟分析，计算结果见表5。

表5 短暂状况混凝土应力验算结果（MPa）

由表5可见，施工过程中隐形盖梁截面最大压应力为14.91MPa，出现在钢束二次张拉过程中；隐形盖梁截面最大拉应力为-1.3MPa，出现在钢束首次张拉过程中。通过计算可知，通过分批次张拉预应力钢束，不同施工阶段中盖梁应力均满足设计规范要求。

2.7计算结论

（1）预应力混凝土隐形盖梁通过“倒T”形断面改善截面特性，能够在不降低承载能力的前提下显著减小盖梁高度，对桥下空间利用优势明显。

（2）考虑到预应力混凝土隐形盖梁通常对应设置较大挑臂，配置大量的预应力钢束抵抗运营阶段上部结构自重和车辆荷载。为降低施工施工阶段应力，预应力钢束的张拉需根据施工阶段荷载的增加进行分批张拉，合理的张拉顺序能够降低盖梁截面施工阶段应力。

（3）由计算结果可见，隐形盖梁墩顶位置附近的截面受力复杂，成为控制截面。根据文章计算结果，通过合理拟定截面尺寸、钢束线形布置和张拉顺序，控制截面位置的应力计算均能满足规范要求。

3结语

（1）结合某主干路采用的预应力混凝土隐形盖梁方案，详细介绍了隐形盖梁的设计方案和设计过程。对于此类挑臂超过12m的大挑臂隐形盖梁在国内较为罕见，通过结构计算，隐形盖梁的设计思路和设计方法是可行的，可以在同类型的桥梁中进行应用。

（2）预应力混凝土隐形盖梁通过合理确定预应力钢束张拉顺序，可显著降低盖梁高度，减小盖梁尺寸，通过增大盖梁挑臂长度设置地面辅道，节约道路用地，提高道路服务水平。

参考文献

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[2] 王银桥,李朝晖,陈泉，等.大悬臂预应力混凝土盖梁受力特性分析[J]城市道桥与防洪，2007（5）：100-102.

[3] 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,2018.

作者简介：杨德厚(1988-)，男，汉族，湖北武汉人，硕士，桥梁工程师，从事桥梁设计工作。