项伟，谢子洋
（1.台州职业技术学院，浙江 台州 318000；2.台州市水利工程质量与安全事务中心，浙江 台州 318000）
近年来，随着城市规模的不断扩张，越来越多的城市都开始修建轨道交通和地下道路以纾解交通压力。当市政桥梁上跨盾构隧道时，为了减少二者之间的相互影响，下部结构的形式和布置会受到限制，同时还要结合景观、河道水利及桥下通行情况等综合考虑。为了满足这些要求，常常采用大悬臂预应力盖梁的设计方案。
盖梁是桥梁工程中承上启下的重要构件，上部结构的恒载和活载通过其传递给墩柱和基础。盖梁是一种典型的以弯剪受力为主的构件，自重引起的结构内力很小。当跨度增加时，普通钢筋混凝土盖梁不易满足计算要求，而需采用预应力混凝土结构，不仅结构强度、刚度和稳定性符合规范，桥下视野也较好。
1 工程概况
本文以台州市开发大道跨东山河桥工程为例。桥梁全长75m，跨径布置为3m×25m，宽46m，设计道路中心线法线与桥跨中心线顺交40°，市域铁路S1线从桥梁下方穿过（见图1）。考虑周边用地限制以及桩基需与盾构保持一定的安全距离，墩台均采用了预应力混凝土盖梁，上接预制小箱梁，下接矩形墩、承台和钻孔灌注桩基础。本文对1#桥墩的大悬臂预应力盖梁进行了设计与计算。
图1 基顶平面图
2 技术标准
设计技术标准如下：①设计速度：50km/h；②设计荷载：城-A级；③设计地震动峰值加速度：0.05g；④设计安全等级：一级；⑤桥面布置：2.5m（人行道）+3m（非机动车道）+2m（机非分隔带）+14m（机动车道）+3m（中央绿化道）+11m（机动车道）+3.5m（机非分隔带）+3.5m（非机动车道）+3.5m（人行道）=46m。
3 结构设计
3.1 构造尺寸
上部结构采用3m×25m先简支后连续预应力混凝土小箱梁，左右分幅；下部结构桥墩采用三墩柱预应力混凝土盖梁，整幅设置；桥台采用座板台形式，预应力混凝土盖梁接承台，分三幅。
1#桥墩桩基采用6根直径1.2m的钻孔灌注桩，按端承桩设计，桩端进入岩层有效深度不小于3m，平均桩长64m，桩基间距2.4m，单桩反力≥2800kN，桩基与盾构结构边线最小净距3.76m。桩顶设尺寸为4.6m×7m×2m的矩形承台，上接矩形立柱（1.6m×1.6m，边缘设置R=20cm圆倒角）。盖梁总长58.012m，宽度为2.1m，高度2.2m，端部高度1.5m；北侧悬臂7.362m，南侧悬臂10.15m。预应力盖梁采用C50混凝土，立柱及承台采用C40混凝土，桩基采用C30水下混凝土。1#桥墩构造图如图2所示。
图2 1#桥墩断面图
3.2 盖梁预应力体系
预应力混凝土盖梁采用A类预应力混凝土结构，钢束采用φs15.24低松弛高强钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，锚下有效控制张拉应力为1395MPa，两端张拉。预应力管道采用金属波纹管，真空压浆工艺，管道摩擦系数取0.16，局部偏差系数取0.0015，钢筋回缩和锚具变形为6mm。盖梁内共布置14根15-φs15.2预应力钢束，分两批次张拉，钢束布置见图3所示。
图3 盖梁预应力钢束布置图
3.3 施工顺序
预应力盖梁施工步骤如下：
①搭设支架，立模浇筑C50混凝土；
②混凝土强度达到设计强度的90%且龄期达到14d及以上时，对称张拉N1、N3钢束，预应力管道压浆；
③压浆强度达到100%时，拆除盖梁模板和脚手架。架设预制小箱梁，小箱梁从墩柱中心向两侧对称吊装，完成后再对箱梁负弯矩钢束、横梁和湿接缝进行施工；
④待上部结构施工完成后，对称张拉N2钢束，压浆并封锚；
⑤压浆强度达到100%时，施工桥面铺装及人行道栏杆等附属设施；
⑥成桥运营。
4 盖梁计算
4.1 计算模型
采用MIDAS/Civil 2019有限元软件建立桥墩盖梁计算模型，如图4所示。盖梁和墩柱均采用梁单元，共计41个单元。
图4 结构计算模型
对于立柱与盖梁之间的连接，有两种连接形式。
第一种是柱与盖梁全固结，在此计算模式下，由于温度力的存在和混凝土的收缩徐变，同时两立柱间距较大，会使两侧立柱产生较大的沿盖梁方向的水平力和弯矩，成为大偏心受压构件。在现有构造尺寸下，桩基的裂缝计算无法满足规范要求。
第二种是柱与盖梁固结，两侧立柱与盖梁通过单向支座连接（活动方向沿桥墩中心线），这种情况下释放了沿盖梁方向的水平力，立柱和桩基可认为是轴心受压构件，受力和变形能满足规范要求。
以下计算结果基于第二种连接方式。
4.2 计算参数
计算中考虑的作用在盖梁上的主要荷载有：
①恒载：包括上部小箱梁的自重，二期恒载（铺装及附属），混凝土的收缩徐变等，上部荷载通过支座传递到盖梁；
②活载：城-A级荷载，考虑车道的最不利布置，按横向加载进行计算，并考虑冲击系数；
③温度作用：按规范取值，整体升温22.5℃，整体降温23.3℃，同时考虑非线性温度变化；
④支座沉降：不均匀沉降按10mm考虑。
4.3 承载能力极限状态验算
基本组合下，盖梁弯矩包络图如图5、图6所示。盖梁最大正弯矩出现在较大跨度的跨中位置，最大负弯矩出现在最大悬臂的根部位置。盖梁抗弯能力完全满足承载能力极限状态下的规范要求，承载力最小富余量为6%。
图5 正截面抗弯验算包络图
图6 斜截面抗剪验算包络图
4.4 正常使用极限状态抗裂验算
根据模型计算结果，在作用频遇组合下，未出现拉应力，最小压应力出现在悬臂侧柱顶位置上缘，小于允许值0.7ftk=1.855MPa（ftk为混凝土抗拉强度标准值）；在作用准永久组合下，未出现拉应力，最小压应力出现在悬臂侧柱顶位置上缘，满足规范要求；在作用频遇组合下，最大主拉应力为-0.66MPa，出现在最大悬臂侧柱顶位置，小于规范限值0.5ftk=1.325MPa。故盖梁拉应力满足正常使用极限状态下的规范要求。
图7 频遇组合下正截面抗裂验算包络图
图8 准永久组合下正截面抗裂验算包络图
图9 斜截面抗裂验算包络图
在活载作用下，盖梁最大竖向位移为6.0mm，最小竖向位移为-8.3mm，出现在盖梁端部。依据规范，受弯构件在使用阶段的挠度应考虑长期效应的影响，盖梁采用C50混凝土，挠度长期增长系数 ηθ=1.425，端部挠度 1.425×(6.0+8.3)=20.4mm＜10150/300=33.8mm，满足规范要求。
4.5 持久状况构件应力验算
根据模型计算结果，在持久状况下，最大压应力为15.5MPa出现在最大悬臂侧柱顶位置下缘，小于允许值0.5fck=16.20MPa（fck为混凝土抗压强度标准值）；最大主压应力为15.6MPa出现在最大悬臂侧柱顶位置下缘，小于允许值0.6fck=19.44MPa。故盖梁压应力满足持久状态下的规范要求。
经计算，柱顶上缘预应力束最大拉应力 为 1173.7MPa＜0.65fpk=1209.0MPa（fpk为预应力钢束抗拉强度标准值），满足规范要求。
图10 正截面压应力验算包络图
图11 斜截面主压应力包络图
4.6 短暂状况构件应力验算
施工阶段盖梁截面边缘混凝土的法向压应力验算结果如图12所示，截面边缘法向最大压应力为14.7MPa，小于允许值0.7f’ck=18.14MPa（f’ck为短暂状况施工阶段的混凝土抗压强度标准值）；截面边缘法向最大拉应力为-0.9MPa，小于允许值 0.7f’tk=1.48MPa（f’tk为短暂状况施工阶段的混凝土抗拉强度标准值），满足规范要求。经计算，若改变施工步骤，会造成结构应力超限。
图12 施工阶段法向压应力验算包络图
5 结语
①大悬臂预应力盖梁能减少立墩的数量，适用于基础条件受限的桥梁施工。同时，能减小墩柱的阻水面积，景观通透性较好，值得推广。
②三柱式大悬臂预应力盖梁结构受力复杂，应注意墩柱和桩基的内力和变形验算，必要时可考虑在两侧立柱和盖梁之间设置支座，释放水平约束。
③应注意施工顺序对大悬臂预应力盖梁受力的影响，通过调整施工顺序、架梁顺序及钢束张拉顺序，使盖梁始终处于安全的受力状态。
