双柱式大悬臂预应力盖梁结构分析及应用
双柱式大悬臂预应力盖梁结构分析及应用
金晓
摘要：结合某公路高架桥大悬臂盖梁实例，通过建立盖梁有限元实体模型，对不同墩柱宽度、高度条件下盖梁内力进行计算比对，分析墩柱宽度、高度对盖梁应力的影响；通过对盖梁预应力钢束的线形选型及各阶段盖梁应力验算，论述了悬臂预应力盖梁的受力特点；概述了预应力盖梁在支架施工、混凝土浇筑、预应力张拉等工序中的施工要点，为类似工程提供借鉴。
关键词：大悬臂盖梁；预应力；内力分析；施工要点
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0引言
作为现代交通路网体系的重要组成部分，高架桥建设使交通得以在立体空间内进行，有效缓解了地面交通拥堵影响交通运输效率的问题。其中，双柱大悬臂高架桥因其外形简洁、受力明确、造价相对较低、施工便利，且能充分利用桥下空间等优点，在目前的公路高架桥梁中被广泛采用。本文通过工程实例对双柱式大悬臂盖梁的结构特点和施工要点进行简要论述。
1 工程概况
公路新建项目高架桥公路等级一级公路，双向四车道，桥宽24m，上部结构横向布置8片小箱梁，标准跨径为30m，下部结构为双桥墩接大悬臂盖梁，桥墩高度5.5m～10.5m，墩柱采用矩形截面，盖梁构造图如图1所示。将上部结构自重和汽车荷载按基本组合简化为集中力加载在盖梁相应位置处[1]，其中，P1为2567kN，P2为2640kN，P3为2532kN。
图1 盖梁构造图（单位：cm）
2 内力分析
2.1模型计算
由于平面杆系中悬臂结构的特殊性，悬臂根部位置为控制截面，其弯矩值不受墩柱截面的影响。为分析墩柱对盖梁应力的影响，采用有限元实体模型模拟盖梁和墩柱进行整体分析。取墩柱宽度分别为2.0m、1.5m、1.0m（悬臂净长度为8.5m，保持不变），墩柱高度为5.5m、8m、10.5m，柱墩底采用固定支承。计算得到盖梁悬臂根部的拉应力、压应力最大值如表1所示（正值为上缘拉应力，负值为下缘压应力）。
表1 不同墩柱条件下盖梁应力值
墩柱高 b=2m应力最值（MPa） b=1.5m应力最值（MPa） b=1m应力最值（MPa）
5.5m 18.68；-32.44 18.69；-31.41 18.80；-28.89
8m 18.66；-31.75 18.68；-30.38 18.86；-27.88
10.5m 18.63；-31.29 18.67；-29.72 18.94；-27.03
由上表可知，墩柱宽度、高度均对盖梁悬臂根部应力有一定的影响：上缘拉应力随着柱宽的减小而增大，随着柱高的增大而增大，而下缘压应力刚好相反；上缘拉应力略小于下缘压应力，其差值随柱宽的减小而增小，随着柱高的增大而减小。盖梁上缘最大拉应力位置在悬臂根部略不在与墩柱外侧相交的截面，墩柱的支承力向上扩散引起反弯点外移；盖梁上缘通过杆系模型计算所得的应力最大值为26.97MPa，与上述拉应力相差近30%，差值比规范要求的限值大较多；当柱宽为2m时，上述模型计算的压应力增大了约10%。
2.2预应力分析
盖梁混凝土等级采用C50，按A类预应力混凝土构件。盖梁采用11Φs15.2高强度、低松弛钢绞线(fpk=1860MPa)，钢束的张拉控制应力为0.75fpk=1395MPa，预应力钢绞线共3排18束。盖梁预应力钢束布置见图2。预应力分两次张拉：盖梁浇筑完成达到规定强度后张拉第一批次预应力：上排6束，中2束，下排2束；吊装主梁完成后张拉剩余预应力钢束。
图2 预应力钢束布置图（单位：cm）
预应力张拉时序对施工中结构安全有较大影响，一次张拉过多，易造成盖梁下缘开裂。张拉过少，则易造成盖梁上缘开裂。分别对第一次张拉完成后、箱梁架设完成后及正常使用时三个阶段的各项荷载作用下产生的应力σkt、σkc及预应力产生应力σpc、σpt进行计算，结果如表2所示。
表2 各阶段预应力盖梁上下缘应力值
各阶段 上缘应力(Mpa) 下缘应力(Mpa)
σkt （σst） σpc σkc σpt
第一批张拉 2.99 -12.62 -3.01 5.28
架设箱梁 12.63 -12.62 -14.22 5.28
使用阶段 19.23 -19.66 -22.32 7.38
从上表可以看出，在预应力作用下，盖梁上缘受压、下缘受拉，近似于施加了一个大偏心压力。第一批预应力筋张拉后由于盖梁自重不大，下缘出现拉应力，混凝土法向拉应力σct=2.27Mpa<0.9ftk=2.385Mpa，满足规范要求。架设箱梁后上缘混凝土法向拉应力σct=0.01Mpa<0.7ftk=1.885Mpa，正常使用阶段同理满足要求[2]。
3施工要点
3.1支架施工
盖梁采用支架法进行施工。支架基础浇筑前，应对地基承载力进行复核，若遇软土地基则需要进行换填处理。盖梁浇筑前应保证盖梁支架具有足够的强度和刚度，应对支架的变形作充分估计。
3.2混凝土浇筑
盖梁混凝土一次性浇筑成型。浇筑过程中，严格控制好每层浇筑厚度和振捣棒振捣间距、振捣时间。采用插入式振捣器分层振捣，每层厚度控制在30cm以内。插入式振捣器的移动间距不超过振动器作用半径的1.5倍（与侧模保持5～10cm的距离），振捣时间为 20～30s，以混凝土停止下沉、不出现气泡、表面呈现浮浆为度[3]。混凝土初凝之前完成整个浇筑过程。
3.3预应力张拉
首次预应力张拉须待混凝土强度达到设计要求后方可进行。预应力采用两端张拉，张拉时采用张拉力与引伸量双控，并以张拉力为主。每个阶段张拉钢束应上下左右对称。钢束张拉完成后24h内，待预应力钢束应力平稳时及时进行压浆作业并及时封锚。
4结语
随着大悬臂盖梁越来越多广泛的应用，对其设计与施工提出了更高的要求，本文某公路高架桥大悬臂盖梁实例进行了分析，总结如下：
（1）柱墩宽度和高度都对悬臂根部应力存在一定影响：柱墩宽度越大，高度越小，悬臂上缘应力则越小；上缘拉应力较按规范要求的折减后弯矩值小；下缘压应力则有小幅增大。
（2）预应力钢束线型和张拉时序的选择对各阶段盖梁内力有很大的影响，应要求对各阶段上下缘应力进行验算。
（3）施工中应对各道工序严格把控，确保盖梁施工质量。
参考文献：
[1]公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2015[S]. 北京：北京人民交通出版社，2015.
[2]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：北京人民交通出版社，2018.
[3]吴大健,陈金州,闵雪峰,张梓仪. 大悬臂双柱式花瓶墩施工工艺与质量控制技术研究[J].建筑结构，2022，52(S01)：3179-3185.
