1中交第一公路勘察设计研究院有限公司 陕西西安 710075；2中交路桥技术有限公司 北京 100011
摘要：本文从预应力门式墩盖梁的受力组成及特点出发，对计算中结构模型的简化、荷载的确定等进行了论述；同时以深圳外环高速公路梅观高速跨线桥中的预应力门式墩盖梁为工程实例，介绍了预应力混凝土门式墩盖梁的设计要点、方法并对设计结果进行归纳，供读者参考。
关键词：门式墩盖梁；大跨径；预应力
The Analysis of the design of the prestressed cap beam on the door-type piers
ZHANG Chan-yin，Huang Yun-yi
Abstract：On the basis of the mechanic components and characteristics of the prestressed concrete cap beam on the door-type piers，the simplification of the structural model and the determination of the corresponding loads are discussed in this paper.The prestressed concrete cap beam on the door-type piers of the Meiguan Expressway overpass on the Outer Ring Expressway in ShenZhen is taken as an engineering example，the design key points and methods of the prestressed concrete cap beam on the door-type pier are introduced，and the design results are classified and analyzed for the reference.
Keywords：the prestressed cap beam on the door-type piers；long span bridge；prestressed concrete
1 引言
近年来，随着我国交通建设的快速发展及城市空间的不断拓展，越来越多的环城或绕城高速公路在设计中采用高架桥上跨市政道路，然而高架桥的结构形式受到了诸如保证桥下足够行车道宽度、满足城市景观要求等众多因素的制约，需要进行特殊设计，而这种特殊设计体现在桥梁的下部则是常常需要将桥墩建成大跨径的双柱或多柱墩，桥墩盖梁则多采用预应力混凝土盖梁。本文以深圳外环高速公路项目梅观高速跨线桥设计中所采用的双墩柱、三墩柱的预应力门式墩盖梁为例，对该类预应力盖梁的设计要点及受力特点进行了简单分析。
2 预应力门式墩盖梁受力分析
2.1预应力盖梁受力组成及特点
桥墩盖梁是一种典型的以弯剪受力为主的构件，其承受的作用力主要分为：永久作用（包括上部结构自重、二期恒载、支座永久作用效应及盖梁自重等），可变作用（汽车荷载通过盖梁顶支座传递），施工吊装荷载，桥墩沿纵向的水平力（包括车辆制动力、温度作用力、支座摩阻力及地震作用等）。在这些作用力中，上部永久作用、可变作用、盖梁自重及施工阶段吊装荷载对盖梁设计起着控制作用，同时这些上部作用力均是通过支座以集中力的形式传递给盖梁。
2.2预应力门式墩盖梁计算模型的建立
对于墩柱间距比较大的门式墩，盖梁采用预应力盖梁将会使其抗裂安全性、美观性得以提高。预应力门式墩盖梁结构受力与普通钢筋混凝土盖梁相比明显不同，其更接近框架结构，盖梁的跨中下缘及柱顶弯矩均比普通盖梁大很多。另外，进行预应力门式墩盖梁计算时，需对结构模型及荷载作用进行简化处理。
2.2.1预应力门式墩盖梁结构模型的简化
在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中对墩台盖梁的规定：当盖梁与墩柱的线刚度之比大于5时，双柱式墩台盖梁可按简支梁计算，多柱式墩台盖梁可按连续梁计算。按此种简化模型计算，盖梁相当于铰接于桥墩顶，使得桥墩对盖梁的约束作用没法得以仿真体现，计算结果也会比实际情况偏大。对于独柱式盖梁，常规计算方法是将其视为一端嵌固的单悬臂梁，该简化使得悬臂根部的弯矩计算结果偏大；对于双柱式盖梁按简支（悬臂）梁计算，则会造成盖梁的跨中弯矩计算结果明显偏大，而当盖梁的刚度与柱的刚度之比小于5时，文章并未做明确说明[1]。
对于墩柱间距很大，墩柱根数较少的门式墩盖梁，其盖梁与墩柱的线刚度之比一般不会大于5，若按简支梁或连续梁的方式进行简化计算不是很合理。故对于大跨径的门式墩盖梁的设计，按框架结构进行简化，将桩基模拟为柱底固结的框架结构[2]进行计算比较合适。该简化模型已经可以满足设计要求，若要得到更精确的盖梁计算结果，则需考虑桩基与土体的相互作用，将土体对桩基的约束作用按弹性支承考虑。该简化模型为超静定结构，手算较为繁琐，可借助电算进行结构设计分析。
2.2.2预应力盖梁荷载的确定方法
预应力盖梁的永久作用主要为盖梁自重、预应力荷载、上部主梁重量以及二期恒载等，上部结构永久作用通过支座传递给盖梁，易于计算。但是对于可变作用中的汽车活载，其位置不断变化，并且不是直接作用于盖梁顶，其作用效应需通过主梁-支座传递到盖梁，计算时需按结构力学中影响线法对汽车活载进行最不利布置，具体操作步骤如下：
首先通过纵向布载求出最大支反力，根据结构力学方法，求出支反力影响线，之后对汽车活载进行纵向布载，取得最不利反力值；其次，横向布载求横向分布系数，在横桥向进行车辆布置，求出活载横向分布影响线，得到荷载横向分布系数；对最不利反力进行横向布置，带入横向分布系数求出横向布载的最不利情况进行盖梁配束计算。
其中，荷载横向分布计算方法常用的有“杠杆原理法”、“偏心压力法”、“修正的偏心压力法”、“刚接、铰接板梁法”等[3]，这些方法需根据上部主梁的结构形式进行灵活采用。
3 预应力门式墩盖梁工程实例
3.1 工程概况
深圳外环高速公路位于深圳市北、东部，为深圳市西东向的一条外环快速干线，是深圳市“七横十三纵”干线路网布局的重要组成部分，也是广东省“九纵五横两环”高速公路主骨架网中的加密线。项目起点位于宝安区沙井附近与在建沿江高速公路相接，终点与盐坝高速公路相接，路线自西向东与深圳所有纵向高速公路交叉衔接，进而与珠三角高速公路形成联网，项目总里程约92.86公里。本项目位于黎光枢纽互通式立交范围内，上跨梅观高速及相关市政道路。
3.1.1桥梁概况
本桥为梅观高速跨线桥，位于黎光枢纽互通范围，其两次跨越当地市政道路“桂月路”，为满足现状道路的通行，需采用多个跨径不一致的门式墩跨越现状路，结构方案设计施工较复杂。本桥中门式墩的柱间距均较大，其墩顶的盖梁需按预应力盖梁设计。
3.1.2 预应力门式墩盖梁采用情况
梅观高速跨线桥共采用了9道预应力门式墩盖梁，其跨径及配束情况如表1所示。
（注：以下文中所提到的盖梁编号同本表中的盖梁序号）
3.2 计算模型
3.2.1 设计标准及参数选用
1）混凝土：C50，重力密度26KN/m3；
2）钢绞线：采用φs15.2，fpk=1860MPa，Ep=1.95x105MPa，松弛系数ζ=0.3；
3）普通钢筋：采用HRB400，fsk=400MPa，Es=2.0x105MPa
4）设计标准：设计荷载：公路I级；环境类别I类；环境相对湿度70%
3.2.2 设计要点
1）结构按A类预应力混凝土构件设计，采用Midas Civil有限元分析软件；
2）张拉控制应力按σcon=0.75 fpk采用；钢束分三次张拉，当盖梁混凝土强度达到95%后，张拉N1、N4钢束；架梁，张拉N3钢束；待二期恒载施工完成后张拉N2钢束。
3.2.3 结构模型及尺寸拟定
1）模型建立
梅观高速跨线桥中所采用的预应力门式墩盖梁在使用Midas civil 2010建模时，将盖梁与墩柱按刚性连接考虑，桩底约束按固结考虑，建成刚架结构。由于上部结构荷载布设位置不同，门式墩盖梁桩柱间距不同，此处仅取两种结构的典型模型进行示意，见图1。
2）截面尺寸拟定
由于上部结构均为30米预制小箱梁，桥墩柱间距较大，又考虑到设计施工方便，盖梁宽度均取2.4米，盖梁高度采用变高形式，端部高度按3.5米设计，跨中高度按3米设置，见图2。
3.3 计算结果分析
本桥在设计时，对预应力门式墩盖梁按A类混凝土构件进行设计，其模型结果的验算项目主要包括：承载能力极限状态结构的验算，主要为承载能力极限状态下结构抗弯、抗剪的验算；持久状况正常使用极限状态的验算，主要为对结构在长短期效应组合下正截面及斜截面抗裂的验算；持久状况和短暂状况下构件应力的验算。其中持久状况和短暂状况下构件应力的验算包括：使用阶段正截面受压区混凝土的最大压应力验算和受拉区的预应力钢筋最大拉应力验算；使用阶段混凝土主压应力验算；短暂状况构件应力的验算。由于篇幅所限，对于以上各项验算内容的具体操作步骤此处不再赘述，本文将对如下几个方面进行分析。
3.3.1 内力组成分布
本文随机选取梅观高速跨线桥5组预应力门式墩盖梁，对正常使用极限状态下，门式墩盖梁跨中、两最不利墩顶弯矩进行验算，分析得到上部恒载、盖梁自重、活载在结构受力中组成分布如下图4所示：
如图所示，在预应力门式墩盖梁抗弯计算中，上部恒载所占弯矩比例约为45%~57%，活载所占弯矩比例约为25%~42%，盖梁自重所占弯矩比例约为15%~21%。本文中所涉及的预应力门式墩盖梁对应的上部恒载均为30米跨径简支小箱梁，仅桥宽有所变化，在今后进行预应力门式墩盖梁荷载计算中，可将此数据作为各部分荷载估算的一个参考。对于跨径越大，越宽的桥，上部恒载所占的比例将会适当增大，对于跨径较小较窄的桥梁，活载比例将会适当提高。
3.3.2 加载位置及门式墩型式对抗裂计算的影响
本文选取7号“22.6米跨径+8.2米大悬臂”门式墩盖梁、8号“24.05米跨径+8.2米大悬臂”及9号“21.5米两柱”门式墩盖梁进行比较（盖梁编号见表1），此三种门式墩盖梁截面尺寸相同，配束相同，但上部恒载值不同（7号盖梁顶为10片小箱梁，8号盖梁顶为6片小箱梁，9号盖梁顶为7片小箱梁）。从表2正截面抗裂验算结果看，对于两柱式预应力门式墩盖梁，并非结构上部恒载越大，活载越大，盖梁跨中的抗裂性越差，抗裂性还与恒载布载位置及钢束束型有关；同时，从7号、8号盖梁结果可见，上部恒载布置越均匀，结构钢束的利用效率越高，也可以使结构的抗裂性得到提高。
通过对2号门式墩盖梁（跨径“16.85+16.85”）和3号门式墩盖梁（跨径“16.85+14.15”）的抗裂计算发现，对于三柱式门式墩盖梁，当两侧柱子到中柱的柱间距越接近且上部恒载布置越均匀，其跨中和最不利边柱柱顶正截面抗裂应力值越接近，全盖梁结构应力分布更均匀，见表3。
当墩柱间距越大时，三柱门式墩盖梁在配束相同、截面尺寸相同的情况下，上部所能承载的恒载要高于两柱式盖梁；在布载、跨径相同的情况下三柱式盖梁的跨中弯矩要小于两柱式，应力分布更加均匀。
3.3.3 预应力盖梁中普通钢筋的作用
本文选取梅观高架桥里的三种典型预应力门式墩盖梁，分别在考虑普通钢筋和不考虑普通钢筋状态下对其抗弯抗剪承载能力进行计算分析（普通纵向钢筋按C28，共46根设置；抗剪箍筋按C16，8肢设置），结果见表4。
通过表4可以看出，在考虑了普通纵向钢筋和抗剪箍筋后，结构的抗弯抗剪承载能力得到显著的增大，尤其是结构抗剪能力在布置箍筋后提高明显。因此，对于门式墩预应力混凝土盖梁中的普通钢筋的设计也必须引起足够重视。如果把预应力钢束比作骨骼，混凝土比作肉，那么普通钢筋就是筋，没有普通钢筋的预应力结构是无法正常工作的[4]。但要注意，在设计施工布置普钢筋时要避免与预应力孔道冲突，箍筋间距不宜过大，一般按加密段10cm，非加密段15cm间距为宜。另外，对于门式墩盖梁，设置大悬臂时，大悬臂段截面由于高度渐变而使得其抗剪能力被削弱，因此需要将箍筋适当加密。
3.3.4预应力门式墩盖梁的设计要点浅谈
预应力门式墩盖梁设计时既要保证整个施工过程中结构的安全，也要保证墩柱结构及盖梁在营运状态下的安全。通常情况下盖梁预应力宜采用较大吨位钢束，小吨位钢束将使预应力管道过多，不仅削弱了有效的预应力混凝土截面，而且施工过程也繁琐，尤其是跨径较大的门式墩盖梁，由于上部荷载较大，配束较多，更应该合理选择钢束类型。钢束张拉次数过多将不便于施工，张拉次数过少则不易同时满足施工和营运要求，根据设计计算及施工要求确定合理的钢束张拉次数也是非常有必要的。预应力筋的布置应尽量使预应力筋线形简单合理，尤其像梅观高速跨线桥这种一桥内设计多种跨径预应力门式墩盖梁的更要引起重视。盖梁的钢束布置线形越简单，钢束规格越统一，越有利于批量采购、施工，使生产效率得以提高。
4 结语
本文针对预应力门式墩盖梁的受力组成、模型建立、计算简化等进行探讨，并对深圳外环梅观高速跨线桥所采用的预应力门式墩盖梁进行有限元分析，总结出以下几点：
1）对于墩柱间距较大的预应力门式墩盖梁，在设计时将墩柱与盖梁按整体框架结构建模能更好的模拟盖梁的受力情况；
2）预应力门式墩盖梁正常使用阶段抗弯计算中，上部恒载占弯矩总载的比例可达到45%~57%，活载占弯矩总载比例25%~42%，盖梁自重所占总载比例相对较小；
3）普通钢筋的设计在预应力门式墩盖梁设计中不可忽视，尤其是箍筋的布设，其对盖梁抗剪能力的提高可以起到显著作用；
4）预应力门式墩盖梁在设计过程中，要依据实际情况选择适当的跨径方案，选择较优的钢束线形，使其满足施工、运营的要求并且经济合理。
参考文献：
[2] 中华人民共和国交通部.JTG D62-2004.《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[S]；
[3] 姚玲森.桥梁工程（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2008；
[4] 季国富，张焱，沈永林.云南省公路规划设计院.预应力混凝土盖梁的设计与计算[G].北京：《中国公路学会桥梁和结构工程分会2004年全国桥梁学术会议论文集》，2004：294~298；
作者简介：
张阐尹（1986-），女，陕西榆林人，2010年毕业于北京交通大学桥梁与隧道工程专业，硕士，工程师，主要从事桥梁设计工作。
论文作者:张阐尹1,黄允宜2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/16
标签：预应力论文; 结构论文; 荷载论文; 弯矩论文; 混凝土论文; 截面论文; 应力论文; 《基层建设》2017年第11期论文;