洪啟偉

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710000）

1 工程背景

某高速公路在城區(qū)段選擇使用主輔路高架橋，主路標(biāo)準(zhǔn)路段整幅寬33.5 m，輔路標(biāo)準(zhǔn)路段兩幅寬2×16.5 m。主路和輔路的路幅寬度較大，但現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)空間有限，易受到現(xiàn)場(chǎng)用地紅線、基本農(nóng)田保護(hù)界線等因素限制，為減少占地面積，輔路的大部分行車凈空設(shè)在主路高架橋下方。

2 寬幅預(yù)應(yīng)力蓋梁的設(shè)計(jì)概述

蓋梁能夠?yàn)闃蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu)提供支承，構(gòu)成一條力的傳遞途徑，實(shí)現(xiàn)上部荷載向下部結(jié)構(gòu)的傳遞，考慮受力穩(wěn)定性的要求，常采用預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁。為充分發(fā)揮蓋梁在受力等方面的優(yōu)勢(shì)，需要緊扣工程實(shí)際環(huán)境，做好優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，切實(shí)提高蓋梁設(shè)計(jì)方案的可行性。

城市土地資源有限，道路建設(shè)常受限于自然資源條件，城市交通流量日益增加，存在車輛通行要求高而道路服務(wù)能力低的矛盾局面。

為緩解城市交通擁堵問(wèn)題，城市快速路的建設(shè)工作常采用主輔路相結(jié)合的高架橋形式，以減少占地面積。主輔路需要有足夠的路幅寬度，工程建設(shè)中應(yīng)考慮橋下通行空間的要求，設(shè)計(jì)難度較大。近年來(lái)，大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁結(jié)合預(yù)制小箱梁方案的應(yīng)用頻率逐步提高，是主輔路寬幅高架橋建設(shè)受限問(wèn)題的關(guān)鍵突破口。

在寬幅小箱梁高架橋的結(jié)構(gòu)組成中，預(yù)應(yīng)力大蓋梁是不容或缺的構(gòu)件，具有承上啟下的作用，該部分的受力條件相對(duì)比較復(fù)雜，需要保證蓋梁結(jié)構(gòu)的合理性，營(yíng)造良好的受力條件。

預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉時(shí)機(jī)容易對(duì)蓋梁的實(shí)際使用效果造成影響，出現(xiàn)應(yīng)力的大幅度波動(dòng)、橋幅變寬時(shí)，多柱式橋墩蓋梁的框架效應(yīng)明顯，均是高架橋?qū)挿A(yù)應(yīng)力蓋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中需著重考慮的內(nèi)容[1]。

懸臂蓋梁如圖1所示。

圖1 懸臂蓋梁

3 寬幅蓋梁構(gòu)造

3.1 整幅雙柱大懸臂蓋梁

受用地紅線、既有城區(qū)樓宇等多重因素的限制，標(biāo)準(zhǔn)段主輔路的總占地寬度相對(duì)有限，約為50 m，必須將輔路的多數(shù)行車空間規(guī)劃在高架橋下，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的空間特點(diǎn)。在整幅雙柱大懸臂蓋梁的設(shè)計(jì)中，蓋梁墩頂負(fù)彎矩處為受力最不利的區(qū)域，需要減小蓋梁懸臂值，但不可為了滿足受力層面的要求過(guò)度減小該值，導(dǎo)致壓縮高架橋下方輔路行車凈空。

本項(xiàng)目橋墩樁柱間距14.5 m，蓋梁懸臂取8.775 m，進(jìn)一步計(jì)算確定蓋梁的寬度、高度均為2.4 m，施工材料選用強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土。

整幅雙柱墩構(gòu)造如圖2所示。

圖2 整幅雙柱墩構(gòu)造（單位：mm）

3.2 整幅三柱大懸臂蓋梁

對(duì)主路出入口單側(cè)進(jìn)行加寬后，整幅橋?qū)挒?4.1 m，主輔路總寬約55.5 m。在此情況下，簡(jiǎn)單加長(zhǎng)蓋梁懸臂的方式已不能滿足橋面的變寬需求，應(yīng)當(dāng)增加墩柱，減小蓋梁懸臂長(zhǎng)度。

增加1個(gè)柱子，變寬側(cè)蓋梁取4.275～5.875 m，間距設(shè)為14.0 m，有序設(shè)置各橋墩墩柱，可以有效保證橋下輔路汽車道的順直性。本工程后續(xù)施工期間未將承臺(tái)系梁設(shè)置在輔路行車道下方位置，可以確保橋墩承臺(tái)處輔路路基不會(huì)出現(xiàn)沉降不均的質(zhì)量問(wèn)題。

3.3 分幅四柱門(mén)架蓋梁

輔道的6個(gè)車道需規(guī)劃在高架橋下方，主輔路總寬約為59.25 m，整幅高架橋?qū)挒?1.4 m，墩柱增加至4個(gè)，墩柱間距為14.5 m，蓋梁懸臂長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況確定，最終確定為3.50～6.25 m，此種優(yōu)化設(shè)計(jì)方式能夠有助于減小墩柱間距和蓋梁懸臂。

適當(dāng)調(diào)整輔路的3個(gè)行車道的位置，設(shè)在左右幅橋自身墩柱間，統(tǒng)一在墩柱外側(cè)規(guī)劃非機(jī)動(dòng)車道以及人行道，減小土地占用面積。

4 蓋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體要點(diǎn)

4.1 墩柱與蓋梁連接時(shí)的倒角優(yōu)化設(shè)計(jì)

墩柱頂與蓋梁兩部分需要形成連接關(guān)系，通常選擇直角連接方法，為了保證節(jié)點(diǎn)部位受力的合理性，在原基礎(chǔ)上增設(shè)倒角銜接。

考慮節(jié)點(diǎn)處蓋梁、墩柱受力可靠性的要求，提出3種倒角方案，分別為1 m×1 m直面倒角（倒角A）、半徑1 m的圓弧倒角（倒角B）、半徑3 m的圓弧倒角（倒角C）。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，倒角A具有施工便捷的特點(diǎn)，但視覺(jué)感較為生硬，橋梁的美觀性難以得到保證；倒角B較為順滑、形態(tài)良好，但小半徑曲面的展開(kāi)延伸幅度有限，難以與大尺寸的蓋梁相協(xié)調(diào)；倒角C采用大半徑曲面的結(jié)構(gòu)，能夠與大尺寸的墩梁、蓋梁相協(xié)調(diào)，具有突出的受力穩(wěn)定性，將其作為最終的倒角連接方案。

4.2 三柱式蓋梁的約束優(yōu)化設(shè)計(jì)

墩柱與蓋梁連接一體常采用固結(jié)方式，但本工程的三柱式橋墩蓋梁尺寸大、剛度大，若墩頂處均選用墩梁固結(jié)的方案，產(chǎn)生的超靜定框架效應(yīng)較強(qiáng)，受溫度、不均勻沉降等多重因素影響，蓋梁和墩柱有較強(qiáng)拉應(yīng)力，受拉效應(yīng)明顯[2]。對(duì)既有固結(jié)方法進(jìn)行優(yōu)化，蓋梁懸臂較短一側(cè)采用支座連接的方法（不再固結(jié)約束），釋放橋墩和蓋梁的轉(zhuǎn)角約束，削弱框架效應(yīng)的同時(shí)，減小橋墩蓋梁的剛度，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓋梁以及墩身受力條件的有效優(yōu)化，有助于保證蓋梁以及墩身的受力穩(wěn)定性[3]。

4.3 四柱蓋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于主路出入口跨輔路平交口的兩側(cè)加寬路段，若下部采用整體式蓋梁結(jié)構(gòu)，存在蓋梁尺寸明顯偏大的局限性，寬度可達(dá)到50 m，適配的墩柱數(shù)量需要增加至4個(gè)，可以釋放兩邊柱的轉(zhuǎn)角約束，但剩余柱的頂部固結(jié)部位的拉應(yīng)力仍存在異常。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，不再采用整體式寬幅蓋梁的方案，改用分幅式門(mén)架蓋梁可以有效減少約束，削弱框架效應(yīng)，框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到保障，不會(huì)由溫度荷載的變化以及不均勻沉降的出現(xiàn)導(dǎo)致異常失穩(wěn)。

4.4 蓋梁懸臂底部的槽口優(yōu)化設(shè)計(jì)

本工程中，寬幅蓋梁具有懸臂長(zhǎng)度較大、墩頂負(fù)彎矩較明顯的特征，應(yīng)對(duì)其受力條件進(jìn)行改善，必須設(shè)置更多的鋼束。但該方式在本工程中不可取，本工程變高蓋梁的梁端錨固空間十分有限，不利于鋼束的正常布置。采取在懸臂蓋梁底開(kāi)設(shè)貫通槽口的方案，會(huì)導(dǎo)致槽口根部存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在力的作用下開(kāi)裂[4]。

應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將梁端加高20 cm作為錨固區(qū)，此時(shí)無(wú)須設(shè)置第一個(gè)槽口；優(yōu)化鋼束數(shù)量較少的一排，對(duì)其位置進(jìn)行調(diào)整，置于最底層；由貫通開(kāi)槽轉(zhuǎn)為非貫通的形式；合理組織混凝土澆筑作業(yè)，盡可能使混凝土蓋梁施工能夠一次澆筑成型。

5 建模及分析

5.1 建模

寬幅蓋梁的受力形式主要為彎矩、剪力、軸力，根據(jù)其受力特點(diǎn)，利用橋博有限元軟件構(gòu)建蓋梁、橋墩、基礎(chǔ)等構(gòu)件的下部梁?jiǎn)卧Ｐ?，反映橋墩框架的剛度特性。建立虛擬上部主梁和連接支座，更好地分析上部小箱梁及汽車荷載的分配特性。

5.2 荷載分析

寬幅蓋梁運(yùn)營(yíng)階段的荷載類型頗多，包括結(jié)構(gòu)自身的恒載、上部恒載、汽車活載、溫度荷載等。對(duì)上部小箱梁進(jìn)行縱向計(jì)算，采用連續(xù)墩的結(jié)構(gòu)時(shí)，蓋梁所受上部恒載相對(duì)較大，上部活載較?。徊捎媒唤佣盏慕Y(jié)構(gòu)形式時(shí)，受力特點(diǎn)恰好相反。溫度荷載或其他形式的荷載主要影響多柱式超靜定橋墩蓋梁，該類結(jié)構(gòu)的框架效應(yīng)較強(qiáng)[5]。

寬幅蓋梁墩頂負(fù)彎矩較大，須設(shè)置較多的預(yù)應(yīng)力鋼束，結(jié)合各道工序的施工順序分析發(fā)現(xiàn)，尚未架設(shè)上部梁片時(shí)，受預(yù)應(yīng)力的作用，蓋梁底緣處可能存在明顯的開(kāi)裂問(wèn)題。進(jìn)行過(guò)模擬分析，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序進(jìn)行調(diào)整，張拉最底層鋼束，條件允許時(shí)盡快組織槽口混凝土的澆筑作業(yè)，減小梁底槽口對(duì)蓋梁的影響。

5.3 梁片架設(shè)時(shí)的荷載分析

上部預(yù)制小箱梁的架設(shè)采取機(jī)械為主、人工為輔的方案，由人工操作架橋機(jī)，逐孔、逐片依次完成架設(shè)工作。為了保證梁片架設(shè)的安全性以及最終的架設(shè)質(zhì)量，模擬分析梁片架設(shè)過(guò)程，考慮架設(shè)第N孔和第N+1孔時(shí)蓋梁所受的影響。荷載控制方面，前支點(diǎn)、后支點(diǎn)施工的荷載分別為2×250、2×450 kN，除了考慮荷載，還應(yīng)兼顧架橋機(jī)在做出橫向移動(dòng)后蓋梁的實(shí)際情況。

6 結(jié)語(yǔ)

城市高架橋是城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的重點(diǎn)，在橋梁結(jié)構(gòu)選型中，通?？紤]預(yù)應(yīng)力蓋梁結(jié)構(gòu)，其能夠兼顧橋面行車寬度和橋下凈空的雙重要求，但需要注重對(duì)受力條件、結(jié)構(gòu)尺寸等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文提出寬幅預(yù)應(yīng)力蓋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)，以期為相關(guān)項(xiàng)目提供參考。