【关键词】跨溢洪道，预应力桥，结构设计
【摘要】，本文通过对我院所设计的达开水电站首部溢洪道预应力桥的设计计算过程进行分析介绍，并就此浅谈自己的一些认识。
一、工程概况
宣威市达开水电站是我院勘测设计的一个中型水电站项目，该电站位于云南省宣威市东边的革香河下游，是革香河梯级规划中的第三级水电站，上游与黄鹰洞水电站相衔接。
达开水电站坝址位于田坝镇大旋湾村下游约1.5km处。电站采用低坝挡水混合式开发。枢纽布置主要由首部枢纽、引水工程和厂区枢纽三部分组成。其中首部枢纽由防渗膜土坝、溢洪道和电站进水口等建筑物组成；引水工程由引水隧洞、调压井、钢管道、等建筑物组成；厂区枢纽包括主副厂房、开关站等建筑物。
电站装机容量3×20MW。依据《水利水电工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003）的规定，达开水电站工程规模为中型工程,工程等别为Ⅲ等，相应永久性主要建筑物为3级,临时及次要建筑物为4级。
其中首部溢洪道布置于右岸，由基岩边坡开挖形成，溢洪道总宽31米，在首部由闸墩分隔成宽13米的两孔，并设置两道宽13米的弧形闸门控制溢洪道的启闭，中闸墩宽5米，边闸墩宽3米，电站对主要外交通联系的公路从坝顶通过，需跨越溢洪道，且考虑电站发电、变电设备运输及溢洪道闸门的现场安装、检修所需场地的需要，需在溢洪道闸墩处架设一座（两跨）桥。因该桥为永久建筑物，且所处位置较为重要。
综合考虑施工的便利，故考虑采用预制混凝土简支梁桥，由于该桥跨度不大，计算跨径为13.6米，在此范围内主梁可采用普通钢筋混凝土和预应力混凝土两种形式，本文就此根据实际设计过程计算分析比较两种不同形式的优劣。
该桥按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）的要求，设计荷载按公路二级采用，并按挂车-80吨验算。
该桥紧靠溢洪道弧门前的平板检修闸门布置，因平板检修闸门宽约14.4米，分为两节，每一节高约7米，考虑现场焊接、安装的场地需要，桥面宽取9～10米。在结合预应力简支梁的间距选取上，考虑该桥虽然设计荷载较大，但跨度较小，净跨距为13米，计算跨距（两端板式橡胶支座的中心距）为13.6米，该桥宽跨比为0.728，略大于0.5，如采用杠杆原理法，忽略横向连梁的作用，则所计算的主梁受力较大，采用偏心压力法计算，适当增大计算配筋，并加强桥横向连梁，较符合该桥的受力特性。
考虑到该桥跨度较小，如所选梁间距较小，可能导致单根梁的受力及配筋较小，故初步选定较大的梁间距，为2米，同时因梁间距加大引起板的内力增大，故适当增加板的厚度，且在“T”形梁的板靠近梁的位置采取加腋措施；初步选定中部板厚为0.18米厚，在“T”形梁的两侧各0.5米范围内加腋，加腋后最厚处为梁边的0.3米。板梁的连接处考虑桥上活荷载的往复作用，采用圆弧连接，以减轻结构因可变荷载的往复作用所产生的应力集中和疲劳破坏几率。
因该桥跨度不大，且受坝前溢洪道水位的影响，“T”形梁的梁高宜取较小值，初步确定为1.2米，经计算后再作判定及调整。梁腹板厚度的确定，腹板厚度需考虑预制过程中因钢筋较密而导致混凝土浇筑、振捣困难的因素，同时在保证混凝土质量的前提下，应尽量减小腹板厚度，减轻结构自重，综合上述原因，选定“T”形梁的腹板厚度为0.18米。
本例计算分析采用偏心压力法，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）的规定计算。配筋计算分析比较分两种情况，一是钢筋混凝土结构，二是预应力混凝土结构。
1、采用预制钢筋混凝土“T”形梁结构，则梁腹板可做成直腹板，跨中部腹板厚度可取0.18米，靠近支座处加厚，厚度可取与预应力结构相同。
2、采用预制预应力混凝土“T”形梁结构，因预应力钢筋束的布置要求，跨中位置，梁下部加大为马蹄形，宽为0.4米，高为0.2米，以上为45度收缩与腹板连接。在靠近两端支座处因剪力较大，考虑将预应力钢筋束弯起以抵抗较大的剪力，该处“T”形梁腹板加厚至0.4米，以满足预应力钢筋束从中穿过的需要。
整座桥根据实际情况布置后，总宽9.9米，全桥共有两跨，两跨均相同，计算跨径为13.6米，单跨桥由5根预制混凝土“T”形梁组成，“T”形梁之间的横隔板、桥面板均设现浇带连接，同时“T”形梁面板上设一层配筋现浇混凝土桥面铺装层。
二、分析计算
受力计算分析：
采用偏心压力法计算桥的主梁受力，该桥的计算模型如下：
恒荷载为桥的结构自重，桥面铺装层，经计算后，桥面荷载按5根预应力梁分配后，单根梁所分配的荷载为：
使用阶段恒载标准值gk＝20.515＋0.081＝20.599kn/m。
活荷载的计算：
“T”形梁跨中的受力计算，跨中采用偏心压力法计算横向分布系数计算，端部支撑受力需根据杠杆原理法计算。
跨中：该桥活荷载的计算需考虑车辆活荷载在桥上横向分布的影响线，在根据影响线计算不同位置梁的横向分布系数。
计算过程分两个荷载布置计算的步骤：
1、是按常规要求，按桥面宽度依规范要求的车辆间距整桥布置有3列车队，即3个车道荷载。计算简图及结果如下，其中，梁4的影响线及横向分布系数与梁2的相同，梁5的影响线及横向分布系数与梁1的相同。
2、按照该桥运输最重设备的80吨挂车荷载进行最不利位置的布置后计算影响线横向分布系数。计算简图及结果如下，其中，梁4的影响线及横向分布系数与梁2的相同，梁5的影响线及横向分布系数与梁1的相同。
从两种情况下车辆活荷载的横向分布系数可以看出，该桥的最不利荷载应是按桥上布置3个车道的情况下。因此，实际工程及以下计算过程均按照第一种情况。
考虑到该公路桥主要为达开电站的站内公路，车流量较少，重车也很少，其最重运输部件为达开电站的开关站主变压器，重约70～80吨，需要80吨挂车运输，其余设备及车辆荷载均小于55吨重车，因此该桥按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）的要求，荷载按公路2级标准采用。
车道均布活荷载为：q＝10.5×0.75＝7.9kn/m，车道集中活荷载，按照内插法计算为：p＝0.75×（180×（13.6-5）/45）＋180＝160.8kn。车辆冲击系数：μ＝0.414，车道折减系数：ξ＝0.78，因该工程处于山区，不考虑风荷载作用，γ0＝1.0。
该桥不考虑人群荷载。
主梁受力计算：
1、 跨中最大弯矩的计算。
边主梁：
由车道活荷载产生的弯矩：
跨中弯矩影响线的最大纵标yk＝L/4＝13.6/4＝3.4m，
跨中弯矩影响线的面积Ω＝L2/8＝＝23.12m2
跨中弯矩：Mq＝（1＋μ）ξmcq(pk×yk+qk×Ω)＝619.23kn.m
恒载产生的弯矩：Mq＝g×L2/8=＝476.25kn.m
根据规范公式：γ0Sud=γ0(ΣγGISGK+γQISQIK+ψcΣγqjSqjK)
跨中弯矩设计值：M＝1438.422kn.m
中主梁（梁2）：
由车道活荷载产生的弯矩：
跨中弯矩影响线的最大纵标yk＝L/4＝3.4m，
跨中弯矩影响线的面积Ω＝L2/8＝23.12m2
跨中弯矩：Mq＝（1＋μ）ξmcq(pk×yk+qk×Ω)＝494.73kn.m
恒载产生的弯矩（近似与边梁相同）：Mq＝g×L2/8=476.25kn.m
M＝1264.122kn.m
2、 支座剪力计算：
按杠杆原理法计算由活荷载产生的支座处剪力，支座的横向分布系数经计算后如下：边梁：m1q=0.7，梁2：m2q=0.675，梁3：m3q=0.575。
按规范公式：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）
恒荷载产生的剪力：Vg=10.3kn
边梁支座剪力：
VA1＝190.44kn
δVA＝40.53kn
Vq＝VA1+δVA=190.44+40.53=230.97kn
剪力设计值：V＝335.72kn
中梁支座剪力：
VA1＝183.65kn
δVA＝40.47kn
Vq＝VA1+δVA=183.65+40.47=224.12kn
剪力设计值：V＝326.13kn
配筋计算：
“T”形梁的截面特性为：总高度1.2米，截面惯性矩为1.111×1011mm4，截面型心到上、下边缘的距离分别是y1＝186.5mm，y2＝1013.5mm，A＝0.6597m2，Wp＝1.0966×108mm3。
1、 采用普通钢筋混凝土结构
边主梁：
荷载效应组合设计值M=1438.422kn.m，
梁跨中按承载力极限状态计算所需配筋面积：4972㎜2，按正常使用极限状态：6184㎜2。
中主梁：
荷载效应组合设计值M=1264.122kn.m，
梁跨中按承载力极限状态计算所需配筋面积：4094㎜2，按正常使用极限状态：5250㎜2。
主梁抗剪配筋计算略。
2、 应力钢筋束的选取
该桥采用A类预应力混凝土结构。
边主梁：
荷载短期效应组合设计值Ms=909.71kn.m，
为抵抗跨中弯矩需施加的预应力为:Np>=Ms/W/(0.85(1/A+ep/W))
即Np>=898.437kn
采用φ15.2钢绞线，单根钢绞线的截面面积Ap＝139mm2，抗拉强度标准值fk=1860Mpa，张拉控制应力σcon=0.75fk=1395Mpa，预应力损失按20％估算。所需钢绞线的根数经计算后为：n＝5.79，取6束。施加预应力后，上边缘混凝土拉应力为σk=(Mk/I0)Y0=1.80Mpa，下边缘混凝土压应力为σk=(Mk/I0)Y0=9.99Mpa，按规范，主梁混凝土标号应不小于C40，选用C45混凝土，可满足要求。
中主梁：
荷载短期效应组合设计值Ms=822.561kn.m，
为抵抗跨中弯矩需施加的预应力为:Np>=Ms/W/(0.85(1/A+ep/W))
即Np>=812.35kn
所需钢绞线的根数经计算后为：n＝5.23，取6束。短期应力校核结果与边主梁相近。
估算后，按照《规范》的公式计算配筋并进行验算，详细过程略。
实际配筋中，考虑该桥宽跨比较小，主梁的计算受力可能偏小，同时出于安全的考虑，增大了主梁的预应力钢绞线数量，实配预应力钢绞线为8束。
因上翼缘处预拉应力较大，并在预制主梁的上翼缘面板在横向每隔三分之一跨处预留横缝一道，共两道，在预应力钢束张拉后用环氧树脂砂浆填缝。
主梁支座处因抗剪的需要，预应力钢绞线束分批向上弯起，梁腹板厚度在支座附近四分之一跨附近逐渐由0.18米增加至0.4米，抗剪配筋计算略。
主梁实配预应力钢绞线束如下：
主梁之间采用横隔梁连接，全桥共设5道横隔梁，横隔梁间距为3.4米，两端支座处横隔梁截面尺寸略为加大。计算过程略。
预应力“T”形主梁的翼缘板配筋按车辆荷载的最不利位置布置后按单向板计算，计算过程略。
两种方式主梁的分析计算配筋结果如下表：
项目 边主梁 中主梁
按承载力极限状态 按正常使用极限状态 按承载力极限状态 按正常使用极限状态
三、总结
通过对该桥的设计计算结果分析，并与现有一些预应力简支梁式桥的设计图纸做了对比，对预应力简支梁式桥结构的受力特点有了一定的认识。预应力结构在大跨度及承受较重荷载的工程建筑物中有着比普通钢筋混凝土结构更大的优势。结构因施加了预应力，从而在抗裂及受荷后的挠曲变形上有很大改善，增加了结构的耐久性，同时充分发挥了高强度钢筋或钢绞线束的特性，从而大幅度减小结构配筋率。
该桥的配筋计算表明，相对于13.6米的计算跨度及80吨的挂车荷载要求，全桥布置5根主梁，计算所需的预应力钢筋束是较少的，如作进一步的优化设计，可布置更少的主梁和更大的梁间距，在预应力结构应力限制的许可范围之内，多配预应力钢筋，充分利用预应力结构的优势。
