【關鍵詞】跨溢洪道，預應力橋，結構設計
　　【摘要】，本文通過對我院所設計的達開水電站首部溢洪道預應力橋的設計計算過程進行分析介紹，并就此淺談自己的一些認識。
　　
　　一、工程概況
　　宣威市達開水電站是我院勘測設計的一個中型水電站項目，該電站位于云南省宣威市東邊的革香河下游，是革香河梯級規劃中的第三級水電站，上游與黃鷹洞水電站相銜接。
　　達開水電站壩址位于田壩鎮大旋灣村下游約1.5km處。電站采用低壩擋水混合式開發。樞紐布置主要由首部樞紐、引水工程和廠區樞紐三部分組成。其中首部樞紐由防滲膜土壩、溢洪道和電站進水口等建筑物組成；引水工程由引水隧洞、調壓井、鋼管道、等建筑物組成；廠區樞紐包括主副廠房、開關站等建筑物。
　　電站裝機容量3×20MW。依據《水利水電工程等級劃分及設計安全標準》（DL5180-2003）的規定，達開水電站工程規模為中型工程,工程等別為Ⅲ等，相應永久性主要建筑物為3級,臨時及次要建筑物為4級。
　　其中首部溢洪道布置于右岸，由基巖邊坡開挖形成，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，電站對主要外交通聯系的公路從壩頂通過，需跨越溢洪道，且考慮電站發電、變電設備運輸及溢洪道閘門的現場安裝、檢修所需場地的需要，需在溢洪道閘墩處架設一座（兩跨）橋。因該橋為永久建筑物，且所處位置較為重要。
　　綜合考慮施工的便利，故考慮采用預制混凝土簡支梁橋，由于該橋跨度不大，計算跨徑為13.6米，在此范圍內主梁可采用普通鋼筋混凝土和預應力混凝土兩種形式，本文就此根據實際設計過程計算分析比較兩種不同形式的優劣。
　　該橋按《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2004）的要求，設計荷載按公路二級采用，并按掛車-80噸驗算。
　　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，每一節高約7米，考慮現場焊接、安裝的場地需要，橋面寬取9～10米。在結合預應力簡支梁的間距選取上，考慮該橋雖然設計荷載較大，但跨度較小，凈跨距為13米，計算跨距（兩端板式橡膠支座的中心距）為13.6米，該橋寬跨比為0.728，略大于0.5，如采用杠桿原理法，忽略橫向連梁的作用，則所計算的主梁受力較大，采用偏心壓力法計算，適當增大計算配筋，并加強橋橫向連梁，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，同時因梁間距加大引起板的內力增大，故適當增加板的厚度，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”形梁的兩側各0.5米范圍內加腋，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作用，采用圓弧連接，以減輕結構因可變荷載的往復作用所產生的應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，經計算后再作判定及調整。梁腹板厚度的確定，腹板厚度需考慮預制過程中因鋼筋較密而導致混凝土澆筑、振搗困難的因素，同時在保證混凝土質量的前提下，應盡量減小腹板厚度，減輕結構自重，綜合上述原因，選定“T”形梁的腹板厚度為0.18米。
　　本例計算分析采用偏心壓力法，根據《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2004）及《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62-2004）的規定計算。配筋計算分析比較分兩種情況，一是鋼筋混凝土結構，二是預應力混凝土結構。
　　1、采用預制鋼筋混凝土“T”形梁結構，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，厚度可取與預應力結構相同。
　　2、采用預制預應力混凝土“T”形梁結構，因預應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，考慮將預應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，以滿足預應力鋼筋束從中穿過的需要。
　　整座橋根據實際情況布置后，總寬9.9米，全橋共有兩跨，兩跨均相同，計算跨徑為13.6米，單跨橋由5根預制混凝土“T”形梁組成，“T”形梁之間的橫隔板、橋面板均設現澆帶連接，同時“T”形梁面板上設一層配筋現澆混凝土橋面鋪裝層。

　　二、分析計算
　　受力計算分析：
　　采用偏心壓力法計算橋的主梁受力，該橋的計算模型如下：
　　恒荷載為橋的結構自重，橋面鋪裝層，經計算后，橋面荷載按5根預應力梁分配后，單根梁所分配的荷載為：
　　使用階段恒載標準值gk＝20.515＋0.081＝20.599kn/m。
　　活荷載的計算：
　　“T”形梁跨中的受力計算，跨中采用偏心壓力法計算橫向分布系數計算，端部支撐受力需根據杠桿原理法計算。
　　
　　跨中：該橋活荷載的計算需考慮車輛活荷載在橋上橫向分布的影響線，在根據影響線計算不同位置梁的橫向分布系數。
　　計算過程分兩個荷載布置計算的步驟：
　　1、是按常規要求，按橋面寬度依規范要求的車輛間距整橋布置有3列車隊，即3個車道荷載。計算簡圖及結果如下，其中，梁4的影響線及橫向分布系數與梁2的相同，梁5的影響線及橫向分布系數與梁1的相同。

　　2、按照該橋運輸最重設備的80噸掛車荷載進行最不利位置的布置后計算影響線橫向分布系數。計算簡圖及結果如下，其中，梁4的影響線及橫向分布系數與梁2的相同，梁5的影響線及橫向分布系數與梁1的相同。

　　從兩種情況下車輛活荷載的橫向分布系數可以看出，該橋的最不利荷載應是按橋上布置3個車道的情況下。因此，實際工程及以下計算過程均按照第一種情況。
　　考慮到該公路橋主要為達開電站的站內公路，車流量較少，重車也很少，其最重運輸部件為達開電站的開關站主變壓器，重約70～80噸，需要80噸掛車運輸，其余設備及車輛荷載均小于55噸重車，因此該橋按《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2004）的要求，荷載按公路2級標準采用。
　　車道均布活荷載為：q＝10.5×0.75＝7.9kn/m，車道集中活荷載，按照內插法計算為：p＝0.75×（180×（13.6-5）/45）＋180＝160.8kn。車輛沖擊系數：μ＝0.414，車道折減系數：ξ＝0.78，因該工程處于山區，不考慮風荷載作用，γ0＝1.0。
　　該橋不考慮人群荷載。
　　主梁受力計算：
　　1、 跨中最大彎矩的計算。
　　邊主梁：
　　由車道活荷載產生的彎矩：
　　跨中彎矩影響線的最大縱標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
　　恒載產生的彎矩：Mq＝g×L2/8=＝476.25kn.m
　　根據規范公式：γ0Sud=γ0(ΣγGISGK+γQISQIK+ψcΣγqjSqjK)
　　跨中彎矩設計值：M＝1438.422kn.m
　　中主梁（梁2）：
　　由車道活荷載產生的彎矩：
　　跨中彎矩影響線的最大縱標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、 支座剪力計算：
　　按杠桿原理法計算由活荷載產生的支座處剪力，支座的橫向分布系數經計算后如下：邊梁：m1q=0.7，梁2：m2q=0.675，梁3：m3q=0.575。
　　按規范公式：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
　　剪力設計值：V＝335.72kn
　　中梁支座剪力：
　　VA1＝183.65kn
　　δVA＝40.47kn
　　Vq＝VA1+δVA=183.65+40.47=224.12kn
　　剪力設計值：V＝326.13kn
　　配筋計算：
　　“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構
　　邊主梁：
　　荷載效應組合設計值M=1438.422kn.m，
　　梁跨中按承載力極限狀態計算所需配筋面積：4972㎜2，按正常使用極限狀態：6184㎜2。
　　中主梁：
　　荷載效應組合設計值M=1264.122kn.m，
　　梁跨中按承載力極限狀態計算所需配筋面積：4094㎜2，按正常使用極限狀態：5250㎜2。
　　主梁抗剪配筋計算略。
　　2、 應力鋼筋束的選取
　　該橋采用A類預應力混凝土結構。
　　邊主梁：
　　荷載短期效應組合設計值Ms=909.71kn.m，
　　為抵抗跨中彎矩需施加的預應力為: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，抗拉強度標準值fk=1860Mpa，張拉控制應力σcon=0.75fk=1395Mpa，預應力損失按20％估算。所需鋼絞線的根數經計算后為：n＝5.79，取6束。施加預應力后，上邊緣混凝土拉應力為σk=(Mk/I0)Y0=1.80Mpa，下邊緣混凝土壓應力為σk=(Mk/I0)Y0=9.99Mpa，按規范，主梁混凝土標號應不小于C40，選用C45混凝土，可滿足要求。
　　中主梁：
　　荷載短期效應組合設計值Ms=822.561kn.m，
　　為抵抗跨中彎矩需施加的預應力為:Np>=Ms/W/(0.85(1/A+ep/W))
　　即Np>=812.35kn
　　所需鋼絞線的根數經計算后為：n＝5.23，取6束。短期應力校核結果與邊主梁相近。
　　估算后，按照《規范》的公式計算配筋并進行驗算，詳細過程略。
　　實際配筋中，考慮該橋寬跨比較小，主梁的計算受力可能偏小，同時出于安全的考慮，增大了主梁的預應力鋼絞線數量，實配預應力鋼絞線為8束。
　　因上翼緣處預拉應力較大，并在預制主梁的上翼緣面板在橫向每隔三分之一跨處預留橫縫一道，共兩道，在預應力鋼束張拉后用環氧樹脂砂漿填縫。
　　主梁支座處因抗剪的需要，預應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，抗剪配筋計算略。
　　主梁實配預應力鋼絞線束如下：

　　主梁之間采用橫隔梁連接，全橋共設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。計算過程略。
　　預應力“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算，計算過程略。
　　兩種方式主梁的分析計算配筋結果如下表：
　　項目 邊主梁 中主梁
　　 按承載力極限狀態 按正常使用極限狀態 按承載力極限狀態 按正常使用極限狀態
　　　
　　三、總結
　　通過對該橋的設計計算結果分析，并與現有一些預應力簡支梁式橋的設計圖紙做了對比，對預應力簡支梁式橋結構的受力特點有了一定的認識。預應力結構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構更大的優勢。結構因施加了預應力，從而在抗裂及受荷后的撓曲變形上有很大改善，增加了結構的耐久性，同時充分發揮了高強度鋼筋或鋼絞線束的特性，從而大幅度減小結構配筋率。
　　該橋的配筋計算表明，相對于13.6米的計算跨度及80噸的掛車荷載要求，全橋布置5根主梁，計算所需的預應力鋼筋束是較少的，如作進一步的優化設計，可布置更少的主梁和更大的梁間距，在預應力結構應力限制的許可范圍之內，多配預應力鋼筋，充分利用預應力結構的優勢。