張金康 姚 凱 傅晨曦 王 猛

（1 南京市公路事業(yè)發(fā)展中心；2 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

近些年來，預(yù)制裝配式橋梁因其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、施工質(zhì)量高、工程造價(jià)低、安全風(fēng)險(xiǎn)小、施工速度快、綠色又環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)而被逐漸應(yīng)用于各類橋梁工程中[1-4]，如：2002 年建造的東海大橋采用了矩形薄壁空心橋墩，進(jìn)行節(jié)段預(yù)制裝配[5]；2003 年上海滬閔高架二期工程同樣應(yīng)用了預(yù)制節(jié)段裝配體系；隨后，杭州灣大橋、舟山金塘大橋、上海長(zhǎng)江大橋等工程也相繼采用預(yù)制裝配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、耐久的建設(shè)目的。

相對(duì)于現(xiàn)澆構(gòu)件而言，下部結(jié)構(gòu)蓋梁及橋墩的多樣化難以形成標(biāo)準(zhǔn)制品，且預(yù)制構(gòu)件對(duì)尺寸和重量的要求較高，運(yùn)輸、安裝、連接等問題突出，相關(guān)內(nèi)容尚未形成業(yè)內(nèi)參考標(biāo)準(zhǔn)[6]，要求設(shè)計(jì)人員不斷地對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，但目前該方面的研究尚缺少參考實(shí)例?；谝陨喜蛔?，以某城市高架橋?yàn)楸尘?，建立Midas 有限元模型，對(duì)初步方案進(jìn)行參數(shù)分析，得到優(yōu)化方案，進(jìn)而為預(yù)制裝配式下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及發(fā)展提供參考。

1 裝配式下部結(jié)構(gòu)初步方案

1.1 工程背景

某城市高架橋路線全長(zhǎng)7.345km，預(yù)制橋梁全長(zhǎng)約5km，橋梁占比高達(dá)68.07%。標(biāo)準(zhǔn)段橋梁全寬33m，雙向六車道，為提高建造效率、減少施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，采用全預(yù)制裝配式混凝土橋梁（上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支小箱梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩以及整體式倒T 型蓋梁）。橋梁橫斷面布置情況如圖1 所示。

圖1 橋梁橫斷面布置

1.2 初步設(shè)計(jì)

背景工程穿行多條城市干道，主要難點(diǎn)有：①對(duì)施工效率、環(huán)境保護(hù)等提出了較高的要求；②附近道路、建筑等構(gòu)筑物多，土地資源緊張；③擴(kuò)建起點(diǎn)、終點(diǎn)均和既有道路相接，橋梁建筑高度受限。通過分析后認(rèn)為，采用全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，選取合理的型式，可以較好地解決建造過程中存在的難題。

為減少下部結(jié)構(gòu)數(shù)量，上部結(jié)構(gòu)采用30m 標(biāo)準(zhǔn)跨徑的簡(jiǎn)支小箱梁的結(jié)構(gòu)體系。由于蓋梁截面較高，所受彎矩較大，為減小對(duì)橋下空間的占用面積，采用倒T 蓋梁型式，并在下方設(shè)置矩形墩。根據(jù)橋?qū)捈岸罩贾梅绞降牟煌?，全橋共設(shè)置A～D 共4 類蓋梁，其中標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁見圖2 所示。

在初步設(shè)計(jì)方案中，倒T 蓋梁截面尺寸參數(shù)如圖3所示，其數(shù)值見表1 所示。該方案在驗(yàn)算時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范要求，但蓋梁的總體重量較大，不利于運(yùn)輸和吊裝，需要對(duì)該方案進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁型式

圖3 蓋梁截面尺寸示意

表1 倒T 蓋梁截面尺寸初始方案設(shè)計(jì)值 (cm)

2 方案優(yōu)化

在表1 所示的五個(gè)參數(shù)中，上頂高度和上部結(jié)構(gòu)小箱梁的高度有關(guān)，牛腿寬度需要滿足抗震的構(gòu)造要求，均無(wú)法更改，因此，可以繼續(xù)優(yōu)化的參數(shù)為：倒T 蓋梁高度H、倒角高度h、上頂寬度B。采用橋梁通用有限元軟件Midas/Civil 建立標(biāo)準(zhǔn)段下部結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，如圖4 所示。經(jīng)試算，蓋梁控制設(shè)計(jì)的指標(biāo)為：使用階段抗裂性（按照預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)）和正截面抗彎承載力。

圖4 下部結(jié)構(gòu)Midas 模型

2.1 倒T 蓋梁高度優(yōu)化分析

將蓋梁截面倒T 高度由190cm 依次改成180cm、170cm、160cm、150cm、140cm、130cm、120cm，對(duì)蓋梁在頻遇組合及準(zhǔn)永久組合下的抗裂性及使用階段正截面抗彎承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，各項(xiàng)指標(biāo)的變化情況見圖5～圖8 所示。

圖5 頻遇組合截面最大拉應(yīng)力變化情況

圖6 準(zhǔn)永久組合截面最大拉應(yīng)力變化情況

圖7 截面抗彎承載能力變化情況

圖8 截面彎矩能需比變化情況

從以上計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，隨著倒T 蓋梁高度的增加，頻遇及準(zhǔn)永久荷載組合下截面最大拉應(yīng)力值有所減小，截面彎矩值、需求值及能需比有所增加。當(dāng)蓋梁高度在150cm～160cm 時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均可以較好地符合設(shè)計(jì)要求，且截面承載能力尚有10%～15%的富余度；此時(shí)，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)于初始方案，其自重減小了15%～20%。

2.2 倒角高度優(yōu)化分析

將蓋梁截面的倒角高度由60cm 依次改成50cm、40cm、30cm、20cm、10cm、0cm，對(duì)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖9～圖12 所示。

圖9 頻遇組合截面最大拉應(yīng)力變化情況

圖10 準(zhǔn)永久組合截面最大拉應(yīng)力變化情況

圖11 截面抗彎承載能力變化情況

圖12 截面彎矩能需比變化情況

從中可見，頻遇及準(zhǔn)永久荷載組合下截面最大拉應(yīng)力值隨倒角高度增加而降低，截面彎矩值、需求值及能需比隨倒角高度增加而增加。綜合構(gòu)件的美觀性和承載能力情況，當(dāng)?shù)菇歉叨瓤刂圃?0cm～40cm 范圍內(nèi)時(shí)較為理想，此時(shí)可以保證彎矩富余度在15%以上，但蓋梁自重減小百分比卻在10%以下。

2.3 上頂寬度優(yōu)化分析

由于蓋梁上頂處需要張拉預(yù)應(yīng)力，寬度過小會(huì)給布束帶來麻煩，綜合考慮布置預(yù)應(yīng)力筋時(shí)的構(gòu)造要求和影響規(guī)律分析所需數(shù)據(jù)的數(shù)量，將蓋梁上頂寬度由120cm依次改成110cm、100cm、90cm、80cm、70cm、60cm，對(duì)控制指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖13～圖16 所示。

圖13 頻遇組合截面最大拉應(yīng)力變化情況

圖14 準(zhǔn)永久組合截面最大拉應(yīng)力變化情況

圖15 截面抗彎承載能力變化情況

圖16 截面彎矩能需比變化情況

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可見，隨著蓋梁上頂寬度的增加，使用階段頻遇及準(zhǔn)永久荷載組合下截面最大拉應(yīng)力先減小后增加，截面彎矩需求值及能力值略有增加，但截面彎矩能需比卻基本沒有變化。由于蓋梁設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，需要添加兩列或者三列的預(yù)應(yīng)力鋼束，綜合考慮波紋管及錨具的尺寸、構(gòu)造要求，蓋梁上頂寬度在90cm～100cm 時(shí)較為理想。

2.4 優(yōu)化方案

對(duì)以上三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)中的兩個(gè)或三個(gè)同時(shí)進(jìn)行更改，進(jìn)而確定標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)各個(gè)指標(biāo)增量的對(duì)比分析，及反復(fù)的試算，結(jié)合相關(guān)構(gòu)造要求，最終確定了如下的優(yōu)化方案：

倒T 蓋梁高度160cm，倒角高度40cm，蓋梁上頂寬度100cm。

此時(shí)，優(yōu)化方案各項(xiàng)驗(yàn)算指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見表2 所示，與初始方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比情況見表3 所示。

從以上計(jì)算及對(duì)比情況來看，優(yōu)化方案不僅滿足各項(xiàng)指標(biāo)的要求，而且自重降低了16.18%，經(jīng)濟(jì)性降低了16.17%，可見優(yōu)化方案可以降低成本，有利于運(yùn)輸和安裝，較初始方案更為理想。

表2 優(yōu)化方案各項(xiàng)驗(yàn)算指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表3 初始方案與優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3 結(jié)論

以某城市高架橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立了下部結(jié)構(gòu)初步方案的有限元模型，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁截面的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，得到了優(yōu)化方案，主要工作和結(jié)論有：

⑴在對(duì)裝配式蓋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意運(yùn)輸和吊裝時(shí)構(gòu)件重量的限制，在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，盡量降低蓋梁的設(shè)計(jì)尺寸，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化分析；

⑵對(duì)倒T 蓋梁的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，探明了蓋梁控制設(shè)計(jì)指標(biāo)隨截面尺寸的變化規(guī)律；

⑶綜合考慮設(shè)計(jì)、美觀、運(yùn)輸、吊裝、經(jīng)濟(jì)等多方面因素，提出了一種滿足要求的蓋梁優(yōu)化方案，為以后預(yù)制裝配式下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了參考。