预应力混凝土盖梁独柱墩设计

预应力混凝土盖梁独柱墩设计

舒海钟

舒海钟

（金华市交通规划设计院有限公司）

【摘要】结合某省道公路改建工程中采用的预应力盖梁独柱桥墩，介绍预应力盖梁的计算方法。

【关键词】公路桥梁；预应力盖梁；横向分布；独柱墩

1．工程概况

本桥右偏角90度，上部结构采用4×16m+3×16m预应力砼(后张)空心板，先简支后连续；下部结构3号、4号水中桥墩采用独柱墩接预应力盖梁、桩基础。本桥平面位于R=165m的左偏圆曲线上，纵断面纵坡-1%；墩台径向布置。

2．预应力混凝土盖梁结构分析

2.1技术标准

设计技术标准如下：(1)设计速度60km/h;(2)公路等级：二级公路；(3)汽车荷载等级：公路-Ⅰ级；（4）设计洪水频率：为1/100；（5）地震基本烈度：地震动峰值加速度为＜0.05g（＜Ⅵ度区），按0.05g（Ⅵ度区）设防。（6）设计基准期：100年。（7）环境类别：Ⅰ类。

2.2结构尺寸

下部结构独柱墩盖梁长度10.56m，悬臂长度4.38m,端部高度1m,中部高度2m,变高段长度4m，墩身采用1.8m圆形实体截面。

2.3盖梁预应力体系

盖梁采用C40混凝土，按照全预应力混凝土构件进行设计，根据以往工程设计经验，结合盖梁的截面尺寸、结构受力特点，确定布置2种钢束，预应力钢束采用《预应力混凝土钢绞线》（GB/T5224-2003）标准的高强度低松弛钢绞线，直径为Φs15.2mm，面积为A=140mm2，抗拉强度标准fpk=1860MPa，钢绞线的弹性模量Ep=1.95×105MPa。钢束编号为N1、N2，N1和N2均采用3束8Φs15.2，待混凝土强度达到100%后方可张拉预应力索，张拉控制力为1562.4KN，两端张拉，上下左右尽量对称张拉。预应力张拉顺序为：张拉N1→安装空心板、浇筑空心板现浇部分→张拉N2→施工桥面铺装、护栏等。具体布置见下图。

2.4模型建立

使用“桥梁博士3.2.0”平面杆系有限元程序对预应力盖梁及独柱墩进行结构建模计算，将盖梁和立柱按照整体建模，将盖梁离散成18个单元、立柱离散成7个单元，立柱底部按固结处理。未考虑立柱宽度对于负弯矩的折减效应。

盖梁活载的加载有两种方式：方法一，桥博盖梁横向加载时计算时，设定横向加载有效区域，模拟车轮直接作用在盖梁上，是一种近似计算方法，适应于支座比较密集的空心板等。在程序中的横向分布系数处取纵向一列车作用下的最不利支反力（该值可由纵向计算时，使用阶段支撑反力汇总结果里面，汽车MaxQ对应下的最大值，除以纵向计算时汽车的横向分布调整系数来算得，进行最不利加载）；方法二，考虑汽车荷载最不利布置情况下，利用每片梁板的荷载横向影响线来计算梁板的横向分布系数，计算出汽车荷载效应在每片梁板位置产生的活载支反力，采用手工计入盖梁承受的恒、活载值，按照规范的要求进行自定义组合进行结构验算方法。本次计算采用方法二，好处是可以得出最不利布载情况下对应的墩身横桥向轴力和弯矩值。

2.5验算荷载

2.5.1一期恒载：

包括空心板预制部分自重、封锚、现浇铰缝和空心板墩顶现浇段的自重，8片板的支反力从内向外依次为P1=291KN，P2=249KN，P3=251KN，P4=252KN，P5=254KN，P6=256KN，P7=258KN，P8=306KN。

2.5.2二期恒载：

包括桥面铺装、混凝土护栏的重量。考虑简变连后，中墩受力较按简支梁计算要有所提高，通过计算比较，在考虑收缩徐变、支座沉降等效应的情况下，均布荷载作用下，连续结构的反力比按照简支计算值提高了15％左右。故本桥二期恒载均按简支计算值乘以1.15作为验算值。护栏通过影响线加载。其重量70％分配给边板，30％分配给次边板。

二期恒载作用下8片板的支反力从内向外依次为P1=245KN，P2=132KN，P3=133KN，P4=134KN，P5=135KN，P6=136KN，P7=136KN，P8=260KN。

2.5.3活载

2.5.3.1边板、中板横向分布系数计算

本桥横桥向为用现浇铰缝连接的装配式预应力混凝土空心板桥，由于板块间横向具有一定的连接构造，但其连接的刚性又很薄弱，结构的受力状态实际接近于数根并列而相互间横向铰接的狭长板，故应采用横向铰接法来计算这类结构的荷载横向分布，假定在竖向荷载作用下铰缝内只传递竖向剪力，采用半波正弦荷载来分析跨中荷载横向分布的规律。

按照铰接板梁法计算，绘制每片梁板的荷载横向影响线，在最不利偏载工况下得到各板汽车荷载横向分布系数从内向外依次为：m1=0.196,m2=0.172,m3=0.196,m4=0.229,m5=0.261,m6=0.283,m7=0.293,m8=0.372。

2.5.3.2一联内一列车道荷载作用下中支点的最大反力

汽车荷载采用浙江省公路管理局下发的第“浙公路【2009】102号”文件中关于对独柱式桥墩稳定性验算所规定的三个汽车荷载工况进行验算。假设一列车作用在4×16m连续梁上，可得到中支点最大的活载反力为：

工况1：P=616KN(计入冲击系数0.3)；工况2：P=801KN(计入冲击系数0.3)；工况3：P=777KN(计入冲击系数0.3)。

2.5.3.3各板传递的最大活载反力

计算分析后工况2反力最大：边板能传递的最大车道荷载反力P8=0.372*801=298KN；当边板传递车道荷载反力最大时，对应该布载情况，由其他板相应的荷载分布影响线加载，P7=0.293*801=235KN；P6=0.283*801=227KN；P5=0.261*801=209KN；P4=0.229*801=183KN；P3=0.196*801=157KN；P2=0.172*801=138KN；P1=0.196*801=157KN；

3．计算结果分析

3.1承载能力极限状态验算结果

根据模型结构计算分析，工况2为最不利工况，承载能力极限状态组合下盖梁最大负弯矩出现在柱顶位置为-11535KN•m，最大抗力为-13753KN•m，可见盖梁在持久状况承载能力极限状态下正截面抗弯承载力满足规范要求。

4．立柱受力分析

纵向水平力：桥梁上部结构的收缩徐变、温度升降及活载产生的纵向水平力对桥梁桩柱的受力有着关键性的影响。纵向水平力计算时主要考虑荷载工况为：温度升温19℃、温度降温23℃、梁体的收缩影响力等值降温24℃、梁体的徐变影响力等值降温25℃；汽车制动力按规范计算。计算结果表明，（收缩徐变+温降+制动力）为较不利组合。

横向作用力：需考虑汽车荷载离心力、横桥向风荷载作用力、恒载偏心弯矩和活载偏心弯矩产生的效应。

经计算分析工况2组合为最不利，180cm圆柱配置42根直径28mm的钢筋，其抗力为10467KN>9364.2KN,裂缝宽度为0.097mm，满足规范要求。

5．结语

对于山区跨河道公路曲线桥梁，下部采用预应力盖梁独柱墩，可减小桥墩阻水；并且有利于路线和河道走向斜交情况下桥梁的正交布置，避免了结构受力复杂的大角度斜交梁板的出现。同时预应力混凝土盖梁在运营阶段避免了受力裂缝的出现，比钢筋混凝土盖梁具有更好的结构耐久性。

参考文献：

[1]《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)

[2]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)