论文部分内容阅读
山东通达路桥规划设计有限公司 264003
摘要：随着国民经济的发展，公路桥梁得跨径原来越大，桥面也越来越宽，有关规范规定八车道的高速公路一般路基宽度为45m，传统的普通钢筋混凝土盖梁已不能满足较宽桥梁的建设需要。
关键词：预应力；盖梁；设计；应用
在常规的公路桥梁设计中，桥面宽度一般都不太宽，单幅的宽度大多不超过13 m，而桥墩盖梁墩柱的跨径一般小于10 m，钢筋混凝土结构具有成本较低、施工方便的优点，因此大部分桥梁的桥墩盖梁均采用此类结构。然而，在某些特殊的环境中，由于线位与现有地物相互干扰，而拆迁又不可行或拆迁代价较大时，预应力混凝土盖梁就成为了一种较佳的选择。本文将结合工程实例，就预应力混凝土盖梁设计作简要的探讨和分析。
一、设计和施工背景
在高速公路建设过程中往往会遇到大河、水渠或与其他桥梁斜交等等，这些特殊的路段因为工期需要不得避让时，我们就会选择加大跨度。因此普通钢筋混凝土盖梁一般不易满足要求，须采用预应力混凝土结构。例图一为某地桥梁的设计图，此桥墩按全幅双柱设计，以减少墩柱数量。墩盖梁全宽为23.3m，跨径（柱间距）为13.5m（详见图一）。
图一 盖梁总体尺寸
二、盖梁受力特点
盖梁是一个承上启下的重要构件，他起着将上部结构恒载和活载传递给墩柱和基础，因此盖梁设计是下部结构设计中一个关键的部分。盖梁受到弯、剪、扭三种内力作用，其中在施工阶段和活载作用时盖梁承受的扭矩产生的扭转剪应力相比竖向力产生的剪应力较小，同时也不属于永久荷载，所以一般不作为设计计算的一部分，而是通过适当加强抗剪钢筋的办法来抵抗扭转内力的影响，所以盖梁是一种典型的以弯剪受力为主构件。与外加荷载相比，盖梁自身产生的结构内力很小，盖梁上绝大部分的力来自于上部结构恒载和活载经支座传递的集中力。
三、预应力盖梁计算要点
为了加快设计进度，缩短设计周期，预应力盖梁等桥梁结构的计算一般均实现了借助计算机按有限元方法计算。预应力盖梁计算前面临着以下三个问题：
1.单元的简化预应力混凝土盖梁单元和其他预应力连续梁单元一样，简化成平面杆系单元运用结构计算程序（如“桥梁博士”）进行计算，这样不但计算简单，而且总体计算结果能够满足设计要求，至于局部区域（如支座垫石附近、盖梁和墩柱结合部位）的应力集中，可用加强构造钢筋的办法来抵抗。没必要将单元模拟成实体单元，虽然计算结果更加准确，但计算过程过于复杂。经实践证明预应力盖梁用平面杆系单元模拟能够满足设计要求。
2.荷载的简化
预应力混凝土盖梁主要受到本身自重以及上部结构梁体、桥面铺装、防撞护栏（或栏杆）等自重和活载经支座传递过来的集中力，其中盖梁自重计算程序自身会考虑，上部结构梁体、桥面铺装、防撞护栏（或栏杆）等自重一般比较明确并易于计算，在计算程序中只要作为集中力加载上去即可，反而是活载比较复杂，需对它进行必要的简化。
盖梁活载为汽车荷载和挂车荷载通过梁体和支座传递，作为集中力作用在盖梁上。要准确计算盖梁内力最不利情况下活载引起的各支座反力，大致分以下五个步骤：
① 首先求出T 梁纵桥向支座反力影响线；
② 根据T 梁纵桥向支座反力影响线布置活载，求出最大支反力；
③ 同一片T 梁的剪力横向分布系数沿梁长并非常数，而且在支点和跨中处的计算方法一般也不相同，这一点与计算弯矩的荷载横向分布系数是有区别的[如图1]；
图1
a）T 梁支座反力影响线；b）车队纵桥向布置；c）第j号T 梁剪力横向分布系数图
④ 对于盖梁某种特定情况的最不利内力，在求解各T 梁的剪力横向分布系数时车轮横桥向位置是固定不变的，这与求解各T 梁的最大剪力横向分布系数不同，后者每片T 梁都对应不同的车轮横向布置[图2]
图2 不同位置最不利内力对应的车轮横桥向布里
a）墩顶负弯矩最大时的车轮布置；b）跨中正弯矩最大时的车轮布里
⑤ 根据求得的横向分布系数和最大支反力求得活载经梁体传递作用在盖梁的各集中力。
虽然上述理论分析并不困难，但是实际操作起来非常繁琐，不利于计算。鉴于此，将预应力混凝土盖梁单元假设成桥面单元，让活载
车辆直接在盖梁上横向布置，求得盖梁最不利内力。虽然这种简化使得计算结果内力有所偏差，但是活载所占内力比例不太大（约30%），所以简化说产生的偏差也不会太大，尤其对于上部结构为空心板的桥梁，由于支座横向间距较小，这种简化产生的偏差就更小，能够满足设计要求。
3.边界条件的简化
在预应力盖梁计算时，发现边界条件采用不同的模拟形式，对墩柱顶负弯矩的影响较大，因此盖梁和墩柱联结的合理简化，对计算至关重要。在对边界条件进行简化分析前，首先对墩柱顶的受力进行分析。盖梁和墩柱的联结实际上是具有一定长度的固结，由此，墩柱顶负弯矩最不利截面并不是出现在墩柱中心处，而是出现在接近墩柱边缘线的截面。
在实际计算中，我们往往将盖梁和墩柱的联结简化成三种情况：经计算比较，三种简化方法中，简化方法①，支点控制截面负弯矩最大，和实际有点差异，需作适当的“削峰”处理；简化方法②支点控制截面负弯矩较方法①小很多，但是负弯矩值与所模拟的两点铰支座的距离密切相关，而两点铰支座距离的确定目前还缺少足够的依据，本次比较计算简单采用墩柱的边缘作为铰支座的位置，偏不安全；简化方法③，支点控制截面负弯矩和简化方法①比较，如果是独柱墩相差甚微，如果是门墩，外侧截面和简化方法①相近，内侧截面和简化②相近。所以在实际设计中采用简化方法①和简化方法③均可以。
四、计算方法
施加在盖梁上的恒载及活载值可采用上部纵梁的支座反力值，该反力值可从主梁的纵向计算结果中获取，也可根据《公路桥涵设计通用规范》[1]中规定的加载方向对影响线手工加载。桥上部采用先简支后结构连续的装配式预应力混凝土小箱梁结构，在施工过程中，上部结构进行了体系转换：架设装配式预制小箱梁→张拉小箱梁负弯矩钢束，完成体系转换→施加防撞护栏、铺装等二期恒载。小箱梁转变为连续结构后，桥墩盖梁处的恒载支座反力会增大，因此其值最好从纵梁的计算结果中获取。由于预制小箱梁一般采用架桥机架设，因此施工阶段还应考虑架桥机对盖梁施工的影响。 汽车活载布置可以在平面杆系程序里用自定义车辆的方法自动完成。一般来说，在建模过程中，活载支反力计算方法可分成以下两种：其一是将盖梁及墩柱建模，考虑车轮在桥梁横向可能的行车位置，直接将汽车活载作用于盖梁顶面；其二是在盖梁及墩柱建模的同时，建立一道虚拟梁，与盖梁通过主从约束连接来实现反力的传递，活载作用于虚拟梁上。
通过计算比较两种方法，计算结果基本一致。为简便起见，施工中大多数程采用第一种方法对预应力盖梁进行计算。
五、工程实例
此处以保山一龙陵高速公路门架墩预应力混凝土盖梁（适用于4D mT 形梁桥）为工程实例，盖梁设计和计算共分如下五步：
（l）拟定盖梁的结构尺寸，建立计算模型实体结构如图3，计算模型如图4 C。
（2）对计算模型划分施工步骤
a.浇筑盖梁，养护，拆除模板；
b.张拉第一批预应力钢束；
c.吊装第一组T 梁，安装在盖梁的悬臂部分；
d.吊装第二组T 梁，安装在盖梁的跨中部分；
e.张拉第二批预应力钢束；
f.施工桥面铺装及防撞护墙等二期恒载；
g.施加汽车活载。
（3）布置预应力钢束（如图5）
图5 盖梁预应力钢束布置
（4）查看各阶段应力图，调整预应力至满足设计要求这里必须强调，查看应力图时一定要逐个施工阶段进行检查，不能只查看营运阶段。因为预应力结构的施工阶段（尤其是施加预应力的阶段）有时也是控制设计的，必须逐个检查，决不能忽视。
（5）结果分析图6 a）为盖梁在张拉第一批预应力时的应力。此时盖梁最大压应力3.3MPa、，最大拉应力0.8 MPa，满足施工阶段设计要求。
图6 部分重要阶段盖梁应力图
图6b）为盖梁在竣工阶段应力。竣工时盖梁上下缘应力较均匀，最大压应力6.8MPa，最小压力储备1.2MPa，无拉应力出现，满足施工阶段设计要求。
图6 c）为盖梁在营运阶段的应力。营运时盖梁最大压应力8.7MPa，最大拉应力2.6 MPa，且拉应力仅在墩顶左截面处出现，其余处均为压应力。由于墩顶左截面处控制标准可以适当放宽，因此可以认为本设计满足营运要求。
结语
通过一系列的工程实例表明预应力混凝土盖梁具有预应力构件节约钢材和混凝土的优点，经济效益显著，而且结构轻巧美观，故大跨径预应力盖梁将成为发展的必然趋势。
参考文献：
[1] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[2] 袁伦一.桥面连续简支梁桥墩台计算实例[M].人民交通出版社.
摘要：随着国民经济的发展，公路桥梁得跨径原来越大，桥面也越来越宽，有关规范规定八车道的高速公路一般路基宽度为45m，传统的普通钢筋混凝土盖梁已不能满足较宽桥梁的建设需要。
关键词：预应力；盖梁；设计；应用
在常规的公路桥梁设计中，桥面宽度一般都不太宽，单幅的宽度大多不超过13 m，而桥墩盖梁墩柱的跨径一般小于10 m，钢筋混凝土结构具有成本较低、施工方便的优点，因此大部分桥梁的桥墩盖梁均采用此类结构。然而，在某些特殊的环境中，由于线位与现有地物相互干扰，而拆迁又不可行或拆迁代价较大时，预应力混凝土盖梁就成为了一种较佳的选择。本文将结合工程实例，就预应力混凝土盖梁设计作简要的探讨和分析。
一、设计和施工背景
在高速公路建设过程中往往会遇到大河、水渠或与其他桥梁斜交等等，这些特殊的路段因为工期需要不得避让时，我们就会选择加大跨度。因此普通钢筋混凝土盖梁一般不易满足要求，须采用预应力混凝土结构。例图一为某地桥梁的设计图，此桥墩按全幅双柱设计，以减少墩柱数量。墩盖梁全宽为23.3m，跨径（柱间距）为13.5m（详见图一）。
图一 盖梁总体尺寸
二、盖梁受力特点
盖梁是一个承上启下的重要构件，他起着将上部结构恒载和活载传递给墩柱和基础，因此盖梁设计是下部结构设计中一个关键的部分。盖梁受到弯、剪、扭三种内力作用，其中在施工阶段和活载作用时盖梁承受的扭矩产生的扭转剪应力相比竖向力产生的剪应力较小，同时也不属于永久荷载，所以一般不作为设计计算的一部分，而是通过适当加强抗剪钢筋的办法来抵抗扭转内力的影响，所以盖梁是一种典型的以弯剪受力为主构件。与外加荷载相比，盖梁自身产生的结构内力很小，盖梁上绝大部分的力来自于上部结构恒载和活载经支座传递的集中力。
三、预应力盖梁计算要点
为了加快设计进度，缩短设计周期，预应力盖梁等桥梁结构的计算一般均实现了借助计算机按有限元方法计算。预应力盖梁计算前面临着以下三个问题：
1.单元的简化预应力混凝土盖梁单元和其他预应力连续梁单元一样，简化成平面杆系单元运用结构计算程序（如“桥梁博士”）进行计算，这样不但计算简单，而且总体计算结果能够满足设计要求，至于局部区域（如支座垫石附近、盖梁和墩柱结合部位）的应力集中，可用加强构造钢筋的办法来抵抗。没必要将单元模拟成实体单元，虽然计算结果更加准确，但计算过程过于复杂。经实践证明预应力盖梁用平面杆系单元模拟能够满足设计要求。
2.荷载的简化
预应力混凝土盖梁主要受到本身自重以及上部结构梁体、桥面铺装、防撞护栏（或栏杆）等自重和活载经支座传递过来的集中力，其中盖梁自重计算程序自身会考虑，上部结构梁体、桥面铺装、防撞护栏（或栏杆）等自重一般比较明确并易于计算，在计算程序中只要作为集中力加载上去即可，反而是活载比较复杂，需对它进行必要的简化。
盖梁活载为汽车荷载和挂车荷载通过梁体和支座传递，作为集中力作用在盖梁上。要准确计算盖梁内力最不利情况下活载引起的各支座反力，大致分以下五个步骤：
① 首先求出T 梁纵桥向支座反力影响线；
② 根据T 梁纵桥向支座反力影响线布置活载，求出最大支反力；
③ 同一片T 梁的剪力横向分布系数沿梁长并非常数，而且在支点和跨中处的计算方法一般也不相同，这一点与计算弯矩的荷载横向分布系数是有区别的[如图1]；
图1
a）T 梁支座反力影响线；b）车队纵桥向布置；c）第j号T 梁剪力横向分布系数图
④ 对于盖梁某种特定情况的最不利内力，在求解各T 梁的剪力横向分布系数时车轮横桥向位置是固定不变的，这与求解各T 梁的最大剪力横向分布系数不同，后者每片T 梁都对应不同的车轮横向布置[图2]
图2 不同位置最不利内力对应的车轮横桥向布里
a）墩顶负弯矩最大时的车轮布置；b）跨中正弯矩最大时的车轮布里
⑤ 根据求得的横向分布系数和最大支反力求得活载经梁体传递作用在盖梁的各集中力。
虽然上述理论分析并不困难，但是实际操作起来非常繁琐，不利于计算。鉴于此，将预应力混凝土盖梁单元假设成桥面单元，让活载
车辆直接在盖梁上横向布置，求得盖梁最不利内力。虽然这种简化使得计算结果内力有所偏差，但是活载所占内力比例不太大（约30%），所以简化说产生的偏差也不会太大，尤其对于上部结构为空心板的桥梁，由于支座横向间距较小，这种简化产生的偏差就更小，能够满足设计要求。
3.边界条件的简化
在预应力盖梁计算时，发现边界条件采用不同的模拟形式，对墩柱顶负弯矩的影响较大，因此盖梁和墩柱联结的合理简化，对计算至关重要。在对边界条件进行简化分析前，首先对墩柱顶的受力进行分析。盖梁和墩柱的联结实际上是具有一定长度的固结，由此，墩柱顶负弯矩最不利截面并不是出现在墩柱中心处，而是出现在接近墩柱边缘线的截面。
在实际计算中，我们往往将盖梁和墩柱的联结简化成三种情况：经计算比较，三种简化方法中，简化方法①，支点控制截面负弯矩最大，和实际有点差异，需作适当的“削峰”处理；简化方法②支点控制截面负弯矩较方法①小很多，但是负弯矩值与所模拟的两点铰支座的距离密切相关，而两点铰支座距离的确定目前还缺少足够的依据，本次比较计算简单采用墩柱的边缘作为铰支座的位置，偏不安全；简化方法③，支点控制截面负弯矩和简化方法①比较，如果是独柱墩相差甚微，如果是门墩，外侧截面和简化方法①相近，内侧截面和简化②相近。所以在实际设计中采用简化方法①和简化方法③均可以。
四、计算方法
施加在盖梁上的恒载及活载值可采用上部纵梁的支座反力值，该反力值可从主梁的纵向计算结果中获取，也可根据《公路桥涵设计通用规范》[1]中规定的加载方向对影响线手工加载。桥上部采用先简支后结构连续的装配式预应力混凝土小箱梁结构，在施工过程中，上部结构进行了体系转换：架设装配式预制小箱梁→张拉小箱梁负弯矩钢束，完成体系转换→施加防撞护栏、铺装等二期恒载。小箱梁转变为连续结构后，桥墩盖梁处的恒载支座反力会增大，因此其值最好从纵梁的计算结果中获取。由于预制小箱梁一般采用架桥机架设，因此施工阶段还应考虑架桥机对盖梁施工的影响。 汽车活载布置可以在平面杆系程序里用自定义车辆的方法自动完成。一般来说，在建模过程中，活载支反力计算方法可分成以下两种：其一是将盖梁及墩柱建模，考虑车轮在桥梁横向可能的行车位置，直接将汽车活载作用于盖梁顶面；其二是在盖梁及墩柱建模的同时，建立一道虚拟梁，与盖梁通过主从约束连接来实现反力的传递，活载作用于虚拟梁上。
通过计算比较两种方法，计算结果基本一致。为简便起见，施工中大多数程采用第一种方法对预应力盖梁进行计算。
五、工程实例
此处以保山一龙陵高速公路门架墩预应力混凝土盖梁（适用于4D mT 形梁桥）为工程实例，盖梁设计和计算共分如下五步：
（l）拟定盖梁的结构尺寸，建立计算模型实体结构如图3，计算模型如图4 C。
（2）对计算模型划分施工步骤
a.浇筑盖梁，养护，拆除模板；
b.张拉第一批预应力钢束；
c.吊装第一组T 梁，安装在盖梁的悬臂部分；
d.吊装第二组T 梁，安装在盖梁的跨中部分；
e.张拉第二批预应力钢束；
f.施工桥面铺装及防撞护墙等二期恒载；
g.施加汽车活载。
（3）布置预应力钢束（如图5）
图5 盖梁预应力钢束布置
（4）查看各阶段应力图，调整预应力至满足设计要求这里必须强调，查看应力图时一定要逐个施工阶段进行检查，不能只查看营运阶段。因为预应力结构的施工阶段（尤其是施加预应力的阶段）有时也是控制设计的，必须逐个检查，决不能忽视。
（5）结果分析图6 a）为盖梁在张拉第一批预应力时的应力。此时盖梁最大压应力3.3MPa、，最大拉应力0.8 MPa，满足施工阶段设计要求。
图6 部分重要阶段盖梁应力图
图6b）为盖梁在竣工阶段应力。竣工时盖梁上下缘应力较均匀，最大压应力6.8MPa，最小压力储备1.2MPa，无拉应力出现，满足施工阶段设计要求。
图6 c）为盖梁在营运阶段的应力。营运时盖梁最大压应力8.7MPa，最大拉应力2.6 MPa，且拉应力仅在墩顶左截面处出现，其余处均为压应力。由于墩顶左截面处控制标准可以适当放宽，因此可以认为本设计满足营运要求。
结语
通过一系列的工程实例表明预应力混凝土盖梁具有预应力构件节约钢材和混凝土的优点，经济效益显著，而且结构轻巧美观，故大跨径预应力盖梁将成为发展的必然趋势。
参考文献：
[1] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[2] 袁伦一.桥面连续简支梁桥墩台计算实例[M].人民交通出版社.