（1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司 河南郑州 450000）
摘要：本文结合孟加拉达卡第一高架桥项目设计实例，首先依据高架桥现场条件确定了桥梁跨径布置方案和桥墩位置，按照美国规范AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications（2007）对跨径36m的门式墩盖梁进行受力分析，包括强度极限状态(Strength），使用极限状态(Service）,地震工况(Extreme II)和车辆撞击工况 (Extreme I)，通过受力分析确定了盖梁的构造尺寸及钢束形状，为其他同类型大跨径倒T型预应力盖梁提供参考数据和经验。
关键词：大跨径；倒T型盖梁；设计；计算；美国规范
0 引言
随着桥梁事业的发展，特别是在城市桥梁建设中，为了减少对城市地下管网、既有桥梁以及铁路的影响，往往需要加大盖梁跨径，提高盖梁的跨越能力，但是盖梁跨径越大，设计就越复杂，造价就越高。考虑项目整体的经济性，倒T型盖梁在空间受限的区域得到广泛应用。倒T型盖梁能降低桥梁建筑高度，减少材料用量，降低工程造价。但是大跨径倒T型盖梁的应用实例相对较少，本项目以实际项目为例，提出了大跨径预应力倒T型盖梁的设计，为其他项目提供参考。
一、项目概况
孟加拉国达卡高架快速路项目主线全长19.73km，匝道长26.58km，全程高架,双向四车道,该项目受市区内既有道路、铁路和建筑物等条件的限制，主线需设置大量门式墩和PC倒T型盖梁，最大盖梁跨径36m。地质条件以沙土为主，基础采用钻孔灌注桩。
本文以桥面宽度23.5m，跨径布置为（32+33）m作为算例进行静力计算分析，上部结构为I型梁（梁高1.7m，最大梁中心间距2.1m），下部结构为倒T型盖梁+矩形桥墩+承台+桩基.盖梁跨径36m，全长38m，设计荷载为HL-93。
二、模型建立及荷载组合
为分析大跨径PC倒T型盖梁受力特点，按照美国规范AASHTO LRFD Bridge Design Specifications（2007）对跨径36m的盖梁进行受力分析，采用MIDAS CIVIL英文版建立盖梁分析模型。
盖梁、桥墩、承台和桩基分别采用28天圆柱体抗压强度45Mpa、35Mpa和30Mpa混凝土。盖梁预应力钢束满足美国ASTM规范，单股钢绞线直径15.2mm，钢绞线面积140mm2,钢绞线标准强度1860MPa，弹性模量1.97×105MPa。盖梁钢束信息如表2-1所示：
表2-1 盖梁预应力信息表
张拉阶段 | 钢束编号 | 钢束类型 | 张拉应力 | 张拉端 | 张拉最小混凝土强度 |
1 | T1~T9 | 27-15.2mm | 1302 | 右端 | 36 |
2 | T10~T19 | 27-15.2mm | 1302 | 右端 | 45 |
说明： | |||||
计算模型及钢束配置如下图所示：
图2.1 计算模型及盖梁钢束配置
本项目包含16种计算荷载，根据AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications（2007）第三章的规定，计算荷载及荷载组合如表2-2所示：
表2-2荷载组合及荷载系数表（强度极限状态）
编号 | 设计荷载 | 荷载组合系数 | ||||
Strength I | Strength II | Strength III | Strength IV | Strength V | ||
1 | 恒载（DC） | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.5 | 1.25 |
2 | 二期荷载（DW） | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
3 | 活载（LL） | 1.75 | 1.35 | / | / | 1.35 |
4 | 离心力（CE） | 1.75 | 1.35 | / | / | 1.35 |
5 | 制动力（BR） | 1.75 | 1.35 | / | / | 1.35 |
6 | 预应力主拉力（PS） | / | / | / | / | / |
7 | 预应力二次（PS） | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
8 | 收缩二次(CR) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
9 | 徐变二次(SH） | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
10 | 均匀温度（TU） | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
11 | 梯度温度（TG） | / | / | / | / | / |
12 | 结构风荷载(WS) | / | / | 1.4 | / | 0.4 |
13 | 车辆风荷载(WL) | / | / | / | / | 1 |
14 | 沉降荷载（SE） | 1 | 1 | 1 | / | 1 |
15 | 车辆撞击力（CT） | / | / | / | / | / |
16 | 地震力X-X（EQ） | / | / | / | / | / |
17 | 地震力Y-Y（EQ） | / | / | / | / | / |
表2-2 荷载组合及荷载系数表（极端极限状态和使用极限状态）
编号 | 设计荷载 | 荷载组合系数 | |||||
Extreme I | Extreme II | Service I | Service II | Service III | Service IV | ||
1 | 恒载（DC） | 1.25 | 1.25 | 1 | 1 | 1 | 1 |
2 | 二期荷载（DW） | 1.5 | 1.5 | 1 | 1 | 1 | 1 |
3 | 活载（LL） | 0.5 | 0.5 | 1 | 1.3 | 0.8 | / |
4 | 离心力（CE） | 0.5 | 0.5 | 1 | 1.3 | 0.8 | / |
5 | 制动力（BR） | 0.5 | 0.5 | 1 | 1.3 | 0.8 | / |
6 | 预应力主拉力（PS） | / | / | 1 | 1 | 1 | 1 |
7 | 预应力二次力（PS） | 0.5 | 0.5 | 1 | 1 | 1 | 1 |
8 | 收缩二次(CR) | 0.5 | 0.5 | 1 | 1 | 1 | 1 |
9 | 徐变二次(SH） | 0.5 | 0.5 | 1 | 1 | 1 | 1 |
10 | 均匀温度（TU） | / | / | 1 | 1 | 1 | 1 |
11 | 梯度温度（TG） | / | / | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1 |
12 | 结构风荷载(WS) | / | / | 0.3 | / | / | 0.7 |
13 | 车辆风荷载(WL) | / | / | 1 | / | / | / |
14 | 沉降荷载（SE） | / | / | 1 | / | 1 | 1 |
15 | 车辆撞击力（CT） | / | 1 | / | / | / | / |
16 | 地震力X-X（EQ） | 1/0.3 | / | / | / | / | / |
17 | 地震力Y-Y（EQ） | 0.3/1 | / | / | / | / | / |
荷载组合验算情况如下：
1)Stength I组合：无风条件下车辆正常行驶的基本组合；
2)Stength II组合：由业主规定的特殊车辆或评价特许车辆，在无风条件下正常行驶的组合；
3)Stength III组合：不考虑活载，风速大于90km/h的荷载组合；
4)Stength IV组合：恒载与活载效应比值很大时的荷载组合（经验总结恒载与活载比值超过7时，此组合将占主导，这个组合由施工阶段控制）；
5)Stength V组合：风速为90km/h，车辆正常行驶情况下的荷载组合；
6)Extreme I 组合：包含地震荷载的组合，活载系数取0.5；
7)Extreme II 组合：包含冰荷载、船舶和车辆的撞击力，及洪水检查和其他水力事件（除车辆撞击荷载CT中的活载外，其他活载折减）的荷载组合；
8)Service I组合：1）风速为90km/h，所有荷载均取值正常情况下桥梁正常运营的荷载组合；2）控制埋置金属结构、隧道衬砌板和热塑管挠度的荷载组合；3）控制钢筋混凝土构件裂缝宽度的荷载组合；4）用于混凝土节段梁横向受拉分析的荷载组合；5）用于边坡稳定性分析的荷载组合。该组合主要用于对预应力混凝土构件的压应力和预应力盖梁的拉应力进行研究。
9)Service II组合：控制钢结构屈服和车辆引起的有滑动危险的连接件的荷载组合，只适用于钢结构。
10)Service III组合：1）控制预应力混凝土上部结构纵向分析拉应力以控制裂缝宽度的荷载组合；2）用于控制分段混凝土梁腹板中的主拉应力的荷载组合（主拉应力检查是为了校核在纵向剪力和扭矩的作用下，节段混凝土梁腹板强度是否满足要求。
11)Service IV组合：控制预应力混凝土柱结构的拉应力以控制裂缝宽度的荷载组合（预应力混凝土柱必须满足STRENGTH III的组合。
三、结果分析
通过对盖梁的分析发现，该倒T型盖梁因跨径较大，主要是使用阶段截面顶部压应力控制计算结果。
3.1 应力限值要求
根据规范5.9.4中的规定，桥梁验算的应力限值如表3-1所示。
表3-1 盖梁PSC验算应力限值
阶段 | 预应力混凝土构件压应力限值 | |||
施工阶段 | 0.6f'ci | 21.6 | Mpa | |
使用阶段 | (1) 恒载+活载+有效预应力 | 0.60f'c | 27 | Mpa |
(2) 恒载+有效预应力 | 0.45f'c | 20.25 | Mpa | |
(3)活载+0.5（恒载+有效预应力） | 0.40f'c | 18 | Mpa | |
阶段 | 预应力混凝土构件拉应力限值 | |||
施工阶段 （非节段施工） | 在预压受拉区以外的区域，以及有粘结钢筋（钢筋或预应力钢）的区域 | 0.63√f'ci | 3.780 | Mpa |
使用阶段 （非节段施工） | 具有不低于中等腐蚀条件的粘结钢筋 | 0.50√f'c | 3.354 | Mpa |
表3-2预应力钢束应力限值
阶段 | 钢束应力允许值 | 备注 |
锚固后的瞬时，在锚头和连接器位置 | 0.70fpu | fpu=1860(Mpa)，为钢束强度极限值 |
锚固后的瞬时，除锚头和连接器位置外的其他位置 | 0.74fpu | |
预应力损失后 | 0.8fpy | fpy=1674(Mpa)，为钢束屈服极限值 |
3.2 计算结果
本模型计算结果如表3-2所示：
表3-3盖梁PSC验算结果
Strength | 弯矩 | 设计值(kN*m) | 承载力(kN*m) | 验算结果 | |
最大弯矩 | 148742.47 | 171754.23 | OK | ||
最小弯矩 | -12973.92 | 132292.85 | OK | ||
剪力 | 设计值(kN) | 承载力(kN) | 验算结果 | ||
最大剪力 | -13983.51 | 32269.62 | OK | ||
最小剪力 | -17233.44 | 29684.06 | OK | ||
Service | 应力 | 设计值(Mpa) | 承载力(Mpa) | 验算结果 | |
施工 阶段 | 最大压应力 | 17.88 | 21.60 | OK | |
最大拉应力 | -0.44 | -3.78 | OK | ||
使用 阶段 | 最大压应力1 | 22.97 | 27.00 | OK | |
最大压应力2 | 18.26 | 20.25 | OK | ||
最大压应力3 | 13.84 | 18.00 | OK | ||
最大拉应力 | 2.22 | -3.35 | OK | ||
表3-4盖梁预应力钢束验算结果
阶段 | 最大钢束应力 | 钢束应力允许值 | 验算结果 |
锚固后的瞬时，在锚头和 连接器位置 | 1298.97 | 1304.28 | OK |
锚固后的瞬时，除锚头和连接器 位置外的其他位置 | 1207.86 | 1378.81 | OK |
预应力损失后 | 1095.05 | 1341.54 | OK |
由最大最小弯矩验算结果可知，主梁跨中弯矩组合设计值小于弯矩承载力设计值，墩顶弯矩组合设计值小于弯矩承载力设计值。所有截面的内力均小于截面的抗力，满足规范要求。
由剪力验算结果可知，墩顶最大剪力组合设计值小于抗剪承载力设计值，墩顶最小剪力组合设计值小于抗剪承载力设计值。所有截面的内力均小于截面的抗力，满足规范要求。
由施工阶段及使用阶段截面法向拉应力的验算结果可知，盖梁拉应力和压应力均满足规范要求。
由钢束应力验算结果可知，钢束张拉前后钢束应力满足要求。
盖梁最大竖向变形3.6cm，满足规范设计要求L/800=4.5cm。
四、结语
（1）本文通过实际算例，介绍了大跨径倒T型PC盖梁的设计思路和设计方法，可以为同类型盖梁的设计提供参考。
（2）倒T型盖梁可以在城市桥梁中广泛应用，能显著的降低净空并降低工程造价，同时大跨径盖梁的跨越能力可以达到36m，能解决实际工程中大部分的施工受限问题，为混凝土盖梁的跨越能力提供参考。
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