■邱俊峰

(福建省交通規(guī)劃設計院，福州 350004)

高速公路橋梁建設過程中，為縮短建設周期及節(jié)約建設成本，上部結(jié)構(gòu)通常采用預制梁形式，下部結(jié)構(gòu)常見有鋼筋混凝土蓋梁配柱式墩或薄壁墩。此類橋梁在受到道路交叉、橋下凈空等特殊地形條件限制時，普通下部結(jié)構(gòu)將無法滿足墩位布設及結(jié)構(gòu)受力要求，一般均需采用大懸臂預應力混凝土蓋梁。

文獻[1-4]均對建立合理的正交大懸臂預應力蓋梁的計算模型進行了探討，為該類蓋梁的設計計算提供了有益的參考。天津市政設計研究院的李海東等[5]，分析了上部結(jié)構(gòu)為小箱梁的預應力蓋梁在不同的施工步驟下的應力狀態(tài)，優(yōu)化了預應力蓋梁的配束。此外，還有其他一些文獻均對大懸臂預應力混凝土蓋梁的設計計算提供了很好的思路，但是對于橋梁在斜交情況下，大懸臂預應力蓋梁受力情況尚未有研究。

本文結(jié)合福建省長平高速公路榕嶺大橋1號墩受橋下交叉道路影響，由三柱斜交鋼筋混凝土蓋梁變更為兩柱斜交預應力混凝土大懸臂蓋梁，重點分析了該類型蓋梁的設計要點及受力特點。

1 結(jié)構(gòu)特點

榕嶺大橋橋?qū)挒?16.5m(左幅)＋0.5m(分隔帶)+16.5m(右幅)，上部為40m預應力混凝土 連續(xù)T梁，受橋下鄉(xiāng)道及省道影響，斜交23°布設，要求兩幅墩中央凈距10m，需采用斜交大懸臂預應力蓋梁配雙柱墩形式，如圖1所示。

2 計算模型簡介

2.1 蓋梁構(gòu)造及鋼束布置

蓋梁懸臂長5.7m，寬2.4m，根部高2.4m，采用C50高強混凝土，預應力鋼束采用Фs15.2高強度低松弛鋼絞線?；谏喜總鬟f的恒載及活載，經(jīng)試算，需張拉N1(6Фs15.2-9)、 N2(6Фs15.2-9)鋼束，鋼束布置見圖 2。

圖1 橋墩布置圖(單位：cm)

圖2 鋼束布置圖(單位：cm)

斜交異形大懸臂預應力蓋梁端部為不規(guī)則形狀，如圖2鋼束平面布置圖所示，斜交23°角布設，張拉錨具布置要求端部按齒塊階梯狀布置，應力分布較為復雜，需借助精細化的有限元模擬其受力狀態(tài)，以指導設計。

2.2 蓋梁施工步驟

文獻[5]中通過分析不同的架梁順序，認為由外側(cè)向內(nèi)側(cè)對稱架設小箱梁可保證架設過程中蓋梁截面內(nèi)應力相對較小。結(jié)合本工程蓋梁，通過對不同張拉鋼束及架梁順序的計算結(jié)果對比，擬定蓋梁施工步驟如下：

(1)立模澆筑蓋梁混凝土，待混凝土強度及彈性模量達到設計值的100%后，張拉N1或N2鋼束并灌漿；

(2)依次對稱架設前孔上部T梁；

(3)依次對稱架設后孔上部T梁；

(4)移走架橋機等施工臨時荷載，張拉N2或N1鋼束并灌漿；

(5)體系轉(zhuǎn)換，完成橋面系施工；

(6)10年收縮徐變；

(7)運營階段。

3 蓋梁力學性能分析

3.1 蓋梁受荷全過程計算

為分析方便，本文采用橋梁博士V3.5程序按正交蓋梁建立平面桿系有限元模型，模擬蓋梁在施工與運營期間的受力狀態(tài)。

首先分析不同的鋼束張拉順序?qū)ιw梁內(nèi)應力狀態(tài)的影響。蓋梁主要承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的恒載及活載，因此預應力鋼束的布置及張拉順序與上部荷載的加載時間及荷載值的大小緊密相關(guān)。在上部預制T梁還未架梁前，若鋼束一次性張拉到位或分批張拉數(shù)量及順序不合理，均有可能導致蓋梁下緣應力超標，蓋梁下緣開裂，因此有必要分析不同的鋼束張拉方式下蓋梁施工及運營全過程的應力狀態(tài)。本文選取了三種張拉模型，模型一為架梁前一次性張拉N1、N2鋼束；模型二為先張拉N1鋼束，架梁結(jié)束后張拉N2鋼束；模型三為先張拉N2鋼束，架梁結(jié)束后張拉N1鋼束，蓋梁施工全過程上下緣最大及最小應力狀態(tài)對比如圖3所示。

圖3 蓋梁上下緣應力變化圖

由圖3可見，在鋼束張拉階段，模型一蓋梁上緣最大壓應力為9.89MPa，下緣最大拉應力為-3.45MPa，模型二下緣最大拉應力為-1.91MPa，根據(jù)橋規(guī)[6]第6.3、7條規(guī)定，拉應力均已超過允許值，模型一最大壓應力已接近規(guī)范允許值，而在上部荷載加載后，模型一、二、三上下緣應力分布基本一致。計算結(jié)果表明，模型一導致蓋梁下緣過早開裂，上緣則受壓過大；而模型二上緣應力雖未超標，但下緣在張拉N1時拉應力超標，模型一、二蓋梁均在施工階段產(chǎn)生永久損傷。針對模型一、二蓋梁過早開裂問題，調(diào)整了鋼束的張拉批次，在架梁前先張拉下層鋼束N2，以減小張拉時蓋梁上緣的壓應力及下緣的拉應力，從計算結(jié)果來看，模型三最不利工況發(fā)生第四施工階段架梁結(jié)束并移除架橋機，此時上部T梁自重已全部傳遞至蓋梁，張拉第二批鋼束N1，蓋梁上緣最大壓應力為7.92MPa，下緣拉應力為-1.04MPa，均在合理范圍內(nèi)。

3.2 三維實體模型有限元分析

鋼筋混凝土蓋梁一般可按橋規(guī)[6]第8.2條規(guī)定進行設計計算。但隨著蓋梁懸臂加長，柱頂截面內(nèi)力劇增，梁高相應增加，進入深梁范疇[7-9]，正截面變形不再符合平截面假定，受力機理與普通梁不同，規(guī)范計算方法不再適用。本工程大懸臂蓋梁跨高比l/h為1.9，屬于預應力混凝土深受彎蓋梁，且橋梁呈斜交布置，受力較為復雜，傳統(tǒng)的二維計算方法無法真實反饋蓋梁受力狀態(tài)，本文借助大型有限元分析軟件ANSYS建立三維實體有限元模型模擬蓋梁受力狀態(tài)?；炷辽w梁、圓柱墩采用Solid95實體單元模擬；預應力筋采用Link8桿單元模擬，此單元可承受軸向力而不能受彎，通過輸入初應變施加預應力，混凝土單元劃分尺寸控制在20cm內(nèi)。建立斜交大懸臂預應力蓋梁有限元實體模型如圖4。

圖4 蓋梁實體有限元模型圖

圖5 運營階段最不利工況正應力分布圖(單位：MPa)

圖6 運營階段最大主拉應力分布圖(單位：MPa)

為分析斜交大懸臂預應力蓋梁運營階段力學性能，選取了運營階段最不利工況下的支座荷載，對有限元實體模型進行加載分析。蓋梁正應力分布如圖5，最大主拉應力如圖6，最不利荷載工況下蓋梁上下緣仍處于受壓狀態(tài)。最大壓應力出現(xiàn)在張拉區(qū)域，最小壓應力出現(xiàn)在斜交較長懸臂截面變化處下緣，為-0.7602MPa，最大主拉應力出現(xiàn)在斜交較長懸臂張拉端附近，為2.864MPa。張拉端呈齒塊狀階梯形狀，該處應力集中，設計時應凸出擋塊，以避免削弱擋塊受力，同時應補強該區(qū)域配筋，以改善受力狀態(tài)。

圖7 蓋梁典型截面正應力分布圖(單位：MPa)

為分析斜交蓋梁懸臂部分應力變化情況，提取了2個截面的正應力分布如圖7所示。邊支座截面沿梁高及梁橫向應力變化顯著，圍繞右側(cè)應力集中處環(huán)向分布；懸臂根部截面上下緣壓應力較小，梁高中部壓應力較大，應力等值線間距不等，截面上下緣等值線分布較密集，中部則分布較稀疏，沿蓋梁橫向等值線存在一定程度彎曲。分析結(jié)果表明，斜交異形蓋梁懸臂截面應力分布較為復雜，無論是端部、根部截面應力分布均不符合平截面假定，有必要進行有限元實體模擬受力狀態(tài)，以指導設計。

對比二維桿系與三維實體模型在運營階段的最不利受力情況，計算結(jié)果如下表1所示。分析發(fā)現(xiàn)，除上緣墩頂最小應力外，其余應力值較為接近，實體模型上緣墩頂壓應力儲備為二維桿系模型的2.6倍，說明采用二維桿系模型計算結(jié)果偏于保守。

4 結(jié)論

通過對大懸臂預應力蓋梁的二維桿系模擬、斜交異形大懸臂預應力蓋梁的三維實體有限元精細化模擬分析，得出以下結(jié)論：

表1 運營階段正應力計算結(jié)果對比

(1)因大懸臂蓋梁受力的特殊性，鋼束張拉順序?qū)⒅苯佑绊懮w梁施工階段的受力情況，鋼束過早張拉完成或錯誤的張拉批次都將導致蓋梁受損。設計人員在進行類似工程設計時，需詳盡分析預應力蓋梁施工及運營全過程受力情況，以確保結(jié)構(gòu)受力安全。

(2)斜交蓋梁懸臂端部呈斜交異形，張拉端按齒塊狀階梯布置，易導致應力集中，齒塊狀張拉端應凸出擋塊設計，以避免削弱擋塊受力，同時應補強該區(qū)域配筋，以改善受力狀態(tài)。

(3)斜交異形蓋梁懸臂部分應力分布無法滿足平截面假定，容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，有必要建立三維實體有限元模型精確模擬蓋梁異形懸臂部分受力狀態(tài)，以指導設計。

(4)目前榕嶺大橋已完成施工，1號墩斜交大懸臂蓋梁的張拉及架梁全過程受力及變形均未出現(xiàn)異常，目前狀況良好，如下圖8所示。

圖8 橋梁實景圖