【關(guān)鍵詞】跨溢洪道，預(yù)應(yīng)力橋，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　【摘要】，本文通過(guò)對(duì)我院所設(shè)計(jì)的達(dá)開(kāi)水電站首部溢洪道預(yù)應(yīng)力橋的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行分析介紹，并就此淺談自己的一些認(rèn)識(shí)。
　　
　　一、工程概況
　　宣威市達(dá)開(kāi)水電站是我院勘測(cè)設(shè)計(jì)的一個(gè)中型水電站項(xiàng)目，該電站位于云南省宣威市東邊的革香河下游，是革香河梯級(jí)規(guī)劃中的第三級(jí)水電站，上游與黃鷹洞水電站相銜接。
　　達(dá)開(kāi)水電站壩址位于田壩鎮(zhèn)大旋灣村下游約1.5km處。電站采用低壩擋水混合式開(kāi)發(fā)。樞紐布置主要由首部樞紐、引水工程和廠區(qū)樞紐三部分組成。其中首部樞紐由防滲膜土壩、溢洪道和電站進(jìn)水口等建筑物組成；引水工程由引水隧洞、調(diào)壓井、鋼管道、等建筑物組成；廠區(qū)樞紐包括主副廠房、開(kāi)關(guān)站等建筑物。
　　電站裝機(jī)容量3×20MW。依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL5180-2003）的規(guī)定，達(dá)開(kāi)水電站工程規(guī)模為中型工程,工程等別為Ⅲ等，相應(yīng)永久性主要建筑物為3級(jí),臨時(shí)及次要建筑物為4級(jí)。
　　其中首部溢洪道布置于右岸，由基巖邊坡開(kāi)挖形成，溢洪道總寬31米，在首部由閘墩分隔成寬13米的兩孔，并設(shè)置兩道寬13米的弧形閘門控制溢洪道的啟閉，中閘墩寬5米，邊閘墩寬3米，電站對(duì)主要外交通聯(lián)系的公路從壩頂通過(guò)，需跨越溢洪道，且考慮電站發(fā)電、變電設(shè)備運(yùn)輸及溢洪道閘門的現(xiàn)場(chǎng)安裝、檢修所需場(chǎng)地的需要，需在溢洪道閘墩處架設(shè)一座（兩跨）橋。因該橋?yàn)橛谰媒ㄖ�物，且所處位置較為重要。
　　綜合考慮施工的便利，故考慮采用預(yù)制混凝土簡(jiǎn)支梁橋，由于該橋跨度不大，計(jì)算跨徑為13.6米，在此范圍內(nèi)主梁可采用普通鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土兩種形式，本文就此根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程計(jì)算分析比較兩種不同形式的優(yōu)劣。
　　該橋按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）的要求，設(shè)計(jì)荷載按公路二級(jí)采用，并按掛車-80噸驗(yàn)算。
　　該橋緊靠溢洪道弧門前的平板檢修閘門布置，因平板檢修閘門寬約14.4米，分為兩節(jié)，每一節(jié)高約7米，考慮現(xiàn)場(chǎng)焊接、安裝的場(chǎng)地需要，橋面寬取9～10米。在結(jié)合預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁的間距選取上，考慮該橋雖然設(shè)計(jì)荷載較大，但跨度較小，凈跨距為13米，計(jì)算跨距（兩端板式橡膠支座的中心距）為13.6米，該橋?qū)捒绫葹?.728，略大于0.5，如采用杠桿原理法，忽略橫向連梁的作用，則所計(jì)算的主梁受力較大，采用偏心壓力法計(jì)算，適當(dāng)增大計(jì)算配筋，并加強(qiáng)橋橫向連梁，較符合該橋的受力特性。
　　考慮到該橋跨度較小，如所選梁間距較小，可能導(dǎo)致單根梁的受力及配筋較小，故初步選定較大的梁間距，為2米，同時(shí)因梁間距加大引起板的內(nèi)力增大，故適當(dāng)增加板的厚度，且在“T”形梁的板靠近梁的位置采取加腋措施；初步選定中部板厚為0.18米厚，在“T”形梁的兩側(cè)各0.5米范圍內(nèi)加腋，加腋后最厚處為梁邊的0.3米。板梁的連接處考慮橋上活荷載的往復(fù)作用，采用圓弧連接，以減輕結(jié)構(gòu)因可變荷載的往復(fù)作用所產(chǎn)生的應(yīng)力集中和疲勞破壞幾率。
　　因該橋跨度不大，且受壩前溢洪道水位的影響，“T”形梁的梁高宜取較小值，初步確定為1.2米，經(jīng)計(jì)算后再作判定及調(diào)整。梁腹板厚度的確定，腹板厚度需考慮預(yù)制過(guò)程中因鋼筋較密而導(dǎo)致混凝土澆筑、振搗困難的因素，同時(shí)在保證混凝土質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量減小腹板厚度，減輕結(jié)構(gòu)自重，綜合上述原因，選定“T”形梁的腹板厚度為0.18米。
　　本例計(jì)算分析采用偏心壓力法，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）的規(guī)定計(jì)算。配筋計(jì)算分析比較分兩種情況，一是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，二是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。
　　1、采用預(yù)制鋼筋混凝土“T”形梁結(jié)構(gòu)，則梁腹板可做成直腹板，跨中部腹板厚度可取0.18米，靠近支座處加厚，厚度可取與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相同。
　　2、采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土“T”形梁結(jié)構(gòu)，因預(yù)應(yīng)力鋼筋束的布置要求，跨中位置，梁下部加大為馬蹄形，寬為0.4米，高為0.2米，以上為45度收縮與腹板連接。在靠近兩端支座處因剪力較大，考慮將預(yù)應(yīng)力鋼筋束彎起以抵抗較大的剪力，該處“T”形梁腹板加厚至0.4米，以滿足預(yù)應(yīng)力鋼筋束從中穿過(guò)的需要。
　　整座橋根據(jù)實(shí)際情況布置后，總寬9.9米，全橋共有兩跨，兩跨均相同，計(jì)算跨徑為13.6米，單跨橋由5根預(yù)制混凝土“T”形梁組成，“T”形梁之間的橫隔板、橋面板均設(shè)現(xiàn)澆帶連接，同時(shí)“T”形梁面板上設(shè)一層配筋現(xiàn)澆混凝土橋面鋪裝層。

　　二、分析計(jì)算
　　受力計(jì)算分析：
　　采用偏心壓力法計(jì)算橋的主梁受力，該橋的計(jì)算模型如下：
　　恒荷載為橋的結(jié)構(gòu)自重，橋面鋪裝層，經(jīng)計(jì)算后，橋面荷載按5根預(yù)應(yīng)力梁分配后，單根梁所分配的荷載為：
　　使用階段恒載標(biāo)準(zhǔn)值gk＝20.515＋0.081＝20.599kn/m。
　　活荷載的計(jì)算：
　　“T”形梁跨中的受力計(jì)算，跨中采用偏心壓力法計(jì)算橫向分布系數(shù)計(jì)算，端部支撐受力需根據(jù)杠桿原理法計(jì)算。
　　
　　跨中：該橋活荷載的計(jì)算需考慮車輛活荷載在橋上橫向分布的影響線，在根據(jù)影響線計(jì)算不同位置梁的橫向分布系數(shù)。
　　計(jì)算過(guò)程分兩個(gè)荷載布置計(jì)算的步驟：
　　1、是按常規(guī)要求，按橋面寬度依規(guī)范要求的車輛間距整橋布置有3列車隊(duì)，即3個(gè)車道荷載。計(jì)算簡(jiǎn)圖及結(jié)果如下，其中，梁4的影響線及橫向分布系數(shù)與梁2的相同，梁5的影響線及橫向分布系數(shù)與梁1的相同。

　　2、按照該橋運(yùn)輸最重設(shè)備的80噸掛車荷載進(jìn)行最不利位置的布置后計(jì)算影響線橫向分布系數(shù)。計(jì)算簡(jiǎn)圖及結(jié)果如下，其中，梁4的影響線及橫向分布系數(shù)與梁2的相同，梁5的影響線及橫向分布系數(shù)與梁1的相同。

　　從兩種情況下車輛活荷載的橫向分布系數(shù)可以看出，該橋的最不利荷載應(yīng)是按橋上布置3個(gè)車道的情況下。因此，實(shí)際工程及以下計(jì)算過(guò)程均按照第一種情況。
　　考慮到該公路橋主要為達(dá)開(kāi)電站的站內(nèi)公路，車流量較少，重車也很少，其最重運(yùn)輸部件為達(dá)開(kāi)電站的開(kāi)關(guān)站主變壓器，重約70～80噸，需要80噸掛車運(yùn)輸，其余設(shè)備及車輛荷載均小于55噸重車，因此該橋按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）的要求，荷載按公路2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用。
　　車道均布活荷載為：q＝10.5×0.75＝7.9kn/m，車道集中活荷載，按照內(nèi)插法計(jì)算為：p＝0.75×（180×（13.6-5）/45）＋180＝160.8kn。車輛沖擊系數(shù)：μ＝0.414，車道折減系數(shù)：ξ＝0.78，因該工程處于山區(qū)，不考慮風(fēng)荷載作用，γ0＝1.0。
　　該橋不考慮人群荷載。
　　主梁受力計(jì)算：
　　1、 跨中最大彎矩的計(jì)算。
　　邊主梁：
　　由車道活荷載產(chǎn)生的彎矩：
　　跨中彎矩影響線的最大縱標(biāo)yk＝L/4＝13.6/4＝3.4m，
　　跨中彎矩影響線的面積Ω＝L2/8＝＝23.12m2
　　跨中彎矩：Mq＝（1＋μ）ξmcq(pk×yk+qk×Ω)＝619.23kn.m
　　恒載產(chǎn)生的彎矩：Mq＝g×L2/8=＝476.25kn.m
　　根據(jù)規(guī)范公式：γ0Sud=γ0(ΣγGISGK+γQISQIK+ψcΣγqjSqjK)
　　跨中彎矩設(shè)計(jì)值：M＝1438.422kn.m
　　中主梁（梁2）：
　　由車道活荷載產(chǎn)生的彎矩：
　　跨中彎矩影響線的最大縱標(biāo)yk＝L/4＝3.4m，
　　跨中彎矩影響線的面積Ω＝L2/8＝23.12m2
　　跨中彎矩：Mq＝（1＋μ）ξmcq(pk×yk+qk×Ω)＝494.73kn.m
　　恒載產(chǎn)生的彎矩（近似與邊梁相同）：Mq＝g×L2/8=476.25kn.m
　　M＝1264.122kn.m
　　2、 支座剪力計(jì)算：
　　按杠桿原理法計(jì)算由活荷載產(chǎn)生的支座處剪力，支座的橫向分布系數(shù)經(jīng)計(jì)算后如下：邊梁：m1q=0.7，梁2：m2q=0.675，梁3：m3q=0.575。
　　按規(guī)范公式：Vq＝VA1+δVA
　　其中：VA1＝（1＋μ）ξm0q×1.2Pk+（1＋μ）ξm0q×qk×L/2
　　δVA＝（1＋μ）ξ（m0q×qk×L/2＋a/2(m0q-mcq)qk×y）
　　恒荷載產(chǎn)生的剪力：Vg=10.3kn
　　邊梁支座剪力：
　　VA1＝190.44kn
　　δVA＝40.53kn
　　Vq＝VA1+δVA=190.44+40.53=230.97kn
　　剪力設(shè)計(jì)值：V＝335.72kn
　　中梁支座剪力：
　　VA1＝183.65kn
　　δVA＝40.47kn
　　Vq＝VA1+δVA=183.65+40.47=224.12kn
　　剪力設(shè)計(jì)值：V＝326.13kn
　　配筋計(jì)算：
　　“T”形梁的截面特性為：總高度1.2米，截面慣性矩為1.111×1011mm4，截面型心到上、下邊緣的距離分別是y1＝186.5mm，y2＝1013.5mm，A＝0.6597m2，Wp＝1.0966×108mm3。
　　1、 采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)
　　邊主梁：
　　荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值M=1438.422kn.m，
　　梁跨中按承載力極限狀態(tài)計(jì)算所需配筋面積：4972㎜2，按正常使用極限狀態(tài)：6184㎜2。
　　中主梁：
　　荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值M=1264.122kn.m，
　　梁跨中按承載力極限狀態(tài)計(jì)算所需配筋面積：4094㎜2，按正常使用極限狀態(tài)：5250㎜2。
　　主梁抗剪配筋計(jì)算略。
　　2、 應(yīng)力鋼筋束的選取
　　該橋采用A類預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。
　　邊主梁：
　　荷載短期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值Ms=909.71kn.m，
　　為抵抗跨中彎矩需施加的預(yù)應(yīng)力為:Np>=Ms/W/(0.85(1/A+ep/W))
　　即Np>=898.437kn
　　采用φ15.2鋼絞線，單根鋼絞線的截面面積Ap＝139mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fk=1860Mpa，張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fk=1395Mpa，預(yù)應(yīng)力損失按20％估算。所需鋼絞線的根數(shù)經(jīng)計(jì)算后為：n＝5.79，取6束。施加預(yù)應(yīng)力后，上邊緣混凝土拉應(yīng)力為σk=(Mk/I0)Y0=1.80Mpa，下邊緣混凝土壓應(yīng)力為σk=(Mk/I0)Y0=9.99Mpa，按規(guī)范，主梁混凝土標(biāo)號(hào)應(yīng)不小于C40，選用C45混凝土，可滿足要求。
　　中主梁：
　　荷載短期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值Ms=822.561kn.m，
　　為抵抗跨中彎矩需施加的預(yù)應(yīng)力為:Np>=Ms/W/(0.85(1/A+ep/W))
　　即Np>=812.35kn
　　所需鋼絞線的根數(shù)經(jīng)計(jì)算后為：n＝5.23，取6束。短期應(yīng)力校核結(jié)果與邊主梁相近。
　　估算后，按照《規(guī)范》的公式計(jì)算配筋并進(jìn)行驗(yàn)算，詳細(xì)過(guò)程略。
　　實(shí)際配筋中，考慮該橋?qū)捒绫容^小，主梁的計(jì)算受力可能偏小，同時(shí)出于安全的考慮，增大了主梁的預(yù)應(yīng)力鋼絞線數(shù)量，實(shí)配預(yù)應(yīng)力鋼絞線為8束。
　　因上翼緣處預(yù)拉應(yīng)力較大，并在預(yù)制主梁的上翼緣面板在橫向每隔三分之一跨處預(yù)留橫縫一道，共兩道，在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿填縫。
　　主梁支座處因抗剪的需要，預(yù)應(yīng)力鋼絞線束分批向上彎起，梁腹板厚度在支座附近四分之一跨附近逐漸由0.18米增加至0.4米，抗剪配筋計(jì)算略。
　　主梁實(shí)配預(yù)應(yīng)力鋼絞線束如下：

　　主梁之間采用橫隔梁連接，全橋共設(shè)5道橫隔梁，橫隔梁間距為3.4米，兩端支座處橫隔梁截面尺寸略為加大。計(jì)算過(guò)程略。
　　預(yù)應(yīng)力“T”形主梁的翼緣板配筋按車輛荷載的最不利位置布置后按單向板計(jì)算，計(jì)算過(guò)程略。
　　兩種方式主梁的分析計(jì)算配筋結(jié)果如下表：
　　項(xiàng)目 邊主梁 中主梁
　　 按承載力極限狀態(tài) 按正常使用極限狀態(tài) 按承載力極限狀態(tài) 按正常使用極限狀態(tài)
　　　
　　三、總結(jié)
　　通過(guò)對(duì)該橋的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析，并與現(xiàn)有一些預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁式橋的設(shè)計(jì)圖紙做了對(duì)比，對(duì)預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁式橋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)有了一定的認(rèn)識(shí)。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在大跨度及承受較重荷載的工程建筑物中有著比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更大的優(yōu)勢(shì)。結(jié)構(gòu)因施加了預(yù)應(yīng)力，從而在抗裂及受荷后的撓曲變形上有很大改善，增加了結(jié)構(gòu)的耐久性，同時(shí)充分發(fā)揮了高強(qiáng)度鋼筋或鋼絞線束的特性，從而大幅度減小結(jié)構(gòu)配筋率。
　　該橋的配筋計(jì)算表明，相對(duì)于13.6米的計(jì)算跨度及80噸的掛車荷載要求，全橋布置5根主梁，計(jì)算所需的預(yù)應(yīng)力鋼筋束是較少的，如作進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可布置更少的主梁和更大的梁間距，在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力限制的許可范圍之內(nèi)，多配預(yù)應(yīng)力鋼筋，充分利用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。