基本介紹
- 中文名：蓋梁
- 外文名：bent cap
- 術語所屬：建築術語
- 學科分類：建築學
- 套用範圍：路橋工程等
- 作用：支撐橋樑上部結構
設計計算,受力特點,受力分析,計算要點,設計體會,蓋梁加固,工程概況,主要病害,維護驗算,加固措施,施工要點,結語,
設計計算
橋樑設計中， 柱式橋墩是普遍採用的結構型式 。 對於簡支橋樑 ， 蓋梁是一個承上啟下的重要構件 ， 上部結構的荷載通過蓋梁傳遞給下部結構和基礎 ， 蓋梁是主要的受力結構 。 在設計中的跨徑 、 斜度 、 橋寬 、 車輛荷載標準的變化梁設計的影響很大， 很難完全套用標準圖和通用圖 。 蓋梁設計的標準化程度很高，需要對蓋梁進行較多的計算，所以蓋梁設計是橋樑設計的一個關鍵部分。
受力特點
受力特點
蓋梁的主要荷載是由其上樑體通過支座傳遞過來的集中力，蓋梁作為受彎構件，在荷載作用下在各截面除了引起彎矩外，同時伴隨著剪力的作用。此外，蓋梁在施工過程中和活載作用下，還會承受扭矩，產生扭轉剪應力。扭轉剪應力的數值很小且不是永久作用，一般不控制設計。實際計算中一般只考慮彎剪的組合，因為考慮彎、剪、扭三種內力同時組合，需要空間分析，計算工作會很繁瑣，而且實際意義也不大。可見蓋梁是一種典型的以彎剪受力為主的構件。
受力分析
蓋梁除了自重荷載之外，主要承受由支座傳遞過來的上部結構的恆載。對不同橋寬、不同跨徑簡支梁板橋的蓋梁內力計算結果進行分析，以雙柱式橋墩蓋梁墩頂負彎矩為例：蓋梁自重所占比例很小，為9%左右；上部恆載所占比例很大，為63%左右；而活載只占總荷載比例的28%左右。
計算要點
蓋梁的計算要點是如何建立準確而且簡化的計算模型。
3.1 蓋梁的平面簡化
3.1.1 關於蓋梁平面基本簡化的規定
《公路橋涵設計手冊》中規定： 多柱式墩台的蓋梁可近似地按多跨連續梁計算；對於雙柱式墩台，當蓋梁的剛度與柱的剛度之比大於5時，可忽略樁柱對蓋梁的約束作用，近似地按簡支（懸臂）梁計算。柱頂視為鉸支承，柱對蓋梁的嵌固作用被完全忽略，這種計算圖式是以往設計實踐中用得最多、最普遍的一種。目前一些蓋梁計算程式，如“中小橋涵CAD系統”等一些平面計算的軟體，基本上都是採用這種簡化計算模式來分析蓋梁內力的，這是一種基本的簡化模式，但是對計算結果一般要作削峰處理。
3.1.2 蓋梁平面基本簡化模式存在的問題
上述的簡化模式有些粗糙且有一定的局限性，使得計算結果偏大，按此進行的配筋設計往往過於保守。對於獨柱式蓋梁，常規的計算方法是將其視為一端嵌固的單懸臂樑，該簡化使得懸臂根部的彎矩計算結果偏大；對於雙柱式蓋梁按簡支（懸臂）梁計算，使得跨中彎矩計算結果明顯偏大。而當蓋梁的剛度與柱的剛度之比小於5時， 《公路橋涵設計手冊》並未做明確說明。該簡化模式的問題在於將墩柱與蓋梁的連線等效成點支撐，將墩梁框架結構簡單等效為簡支（懸臂）梁來處理。這雖然使計算得到簡化，但與實際結果偏差過大。而且無論墩柱尺寸及蓋梁尺寸如何，皆按簡支（懸臂）梁來處理，使得其適用範圍受到限制。多柱式蓋梁也存在同樣的問題。現在有一種修正的計算方法是將單點鉸支模型轉化為兩點鉸支模型，此時墩頂負彎矩要比基本的簡化模式（單點鉸支模型）小，以達到削峰處理的作用。兩點鉸支模型的彎矩值與所模擬的兩鉸支點間的距離有關，但對這個距離目前還缺乏足夠的依據。這種計算方法現在多用在獨柱式蓋梁的計算上，對於雙柱式及多柱式蓋梁，因計算結果差別很大，是不可取的。
3.1.3 平面簡化的其他方法—整體圖式法
本方法屬於平面計算圖式，但是屬於超靜定結構，手算比較繁瑣，一般採用平面計算程式如“橋樑綜合計算程式”，將墩柱及蓋梁一起模擬，形成整體圖式進行計算。此時墩柱與蓋梁可以看成是一個平面剛架，邊界條件可以簡化為固端支承，將墩柱範圍的區域考慮為受力而不變形的“剛域”。這種計算結果與空間計算結果比較接近，因為蓋梁空間的計算都是整體圖式的。如果考慮了基礎周圍介質（土體）對基礎的作用， 較準確地模擬出彈性支承，則蓋梁計算結果會更精確，但是計算量也會增加。以獨柱式蓋梁為例，筆者經過計算比較得出：整體圖式法計算出的墩頂最大負彎矩，一般相當於基本簡化模式計算結果的75%左右。但是這個結果仍然是有峰值的，峰值往往比實際值大，而如果利用墩柱邊緣的數值往往又偏小。與實際受力接近的數值應該在墩柱邊緣以內，位於墩柱中心與邊緣之間。
3.1.4 結論
蓋梁的幾何外形簡單，且是以彎矩、剪力及軸力為主，受力特點明確。將它模擬成平面桿單元比模擬成空間體單元計算要簡單許多，而且能滿足控制要求。空間計算結果雖然準確，但是計算複雜，對於蓋梁計算必要性不大。採用蓋梁平面基本的簡化模式進行計算是最簡單且比較實用的，但使用時要對局部區域的峰值如墩頂截面進行適當的折減削峰處理，因為蓋梁的實際控制截面往往不在墩頂而在墩柱邊緣附近，這樣能避免造成較大的浪費。蓋梁的剛度與柱的剛度之比越大，簡化計算結果越準確。當相對剛度比大於10時，誤差已經控制在10%以內了，在精度要求不很高的結構工程中是允許的，且偏於安全。此時可忽略樁柱對蓋梁的彈性約束作用，把蓋梁簡化成簡支或連續梁的型式。當然，整體圖式法是計算最為準確的平面簡化計算方法，計算簡單且符合實際，建議有條件時儘量採用。
3.2 蓋梁荷載的分析及簡化
3.2.1 蓋梁荷載組成及特徵
蓋梁的恆載包括：蓋梁自重、預應力荷載、上部主梁重量以及橋面系荷載等，這些都比較明確且易於計算。人群荷載由於位置固定，可按均布的恆載考慮；蓋梁活載為橋上車載通過主梁及支座時傳遞下來的，與計算主梁不同，活載作用在蓋樑上的位置不是隨機移動的，因為支座位置是固定的。同時，作用於橋面的活載位置卻又是隨機移動的，因此，要準確算出蓋梁最不利內力情況下活載引起的各支座的反力，就需要正確的方法。歸納起來，蓋梁活載布置分為縱橋向布載與橫橋向布載兩大步驟。
3.2.2 蓋梁縱橋向布載
求出主梁的支座反力影響線，根據主梁的支座反力影響線縱橋向布置活載車隊。對於簡支橋樑的橋墩蓋梁採用雙孔布載，橋台蓋梁採用單孔布載。縱橋向活載最大值根據橋樑計算跨徑、車道數量和荷載等級的不同而不同。以下是筆者總結的幾種常見跨徑簡支梁板橋雙車道縱向布載的計算結果。在一些蓋梁計算程式里，縱向布載數據有時需要自己手算輸入，如人們常用的“橋樑綜合計算程式”，在進行蓋梁橫向計算時，需要輸入一個“橫向分配係數”，用表中的數值除以2得到腳踏車道數值，再除以加重車後軸重量即得。
3.2.3 蓋梁橫橋向布載
橫橋向按車輪最不利位置布置活載 ， 然後根據車輪橫向位置求出相應各片主梁的荷載橫向分布係數。在蓋梁橫向布載計算中，一般採用槓桿法或者偏心受壓法來計算活載橫向分布影響線。蓋梁不同位置對應的最不利車輪橫橋向的布置也不相同，活載對稱布置時用槓桿法，非對稱布置時用偏心受壓法。大部分蓋梁計算程式都能自動計算活載橫向分布影響線，原理都是一樣的。計算主梁的橫向分布係數時要注意：蓋梁某個位置的最不利內力，在求解各T梁的剪力橫向分布係數時，車輪橫橋向的位置是固定不變的，而車輪不同的橫向布置對應各T梁不同的剪力橫向分布係數。
設計體會
4.1 普通鋼筋混凝土蓋梁抗彎設計
計算活載彎矩時，支點負彎矩採用活載非對稱布置時的數值；跨中正彎矩採用活載對稱布置時的數值。鑒於普通鋼筋混凝土蓋梁在使用過程中容易出現裂縫，建議在配彎矩鋼筋時在正常的計算結果基礎上適當增加。經計算發現：增加20%～30%的受拉鋼筋數量，對於防止裂縫很有效果。鋼筋要儘量均勻布置，彎矩筋和彎起的斜筋要合理調配，避免出現局部鋼筋間距過大的情況。選擇合理的柱間距和懸臂段長度間的比值，不僅能節省受彎鋼筋，而且對彎剪鋼筋的合理布置也有好處。通過計算總結，筆者認為，雙柱式蓋梁採用柱間距與懸臂段長度的比值為2.45~2.95最為適宜（均為2.7）。現在立交橋一般為了美觀或橋下通行的需要，蓋梁多採用大懸臂，而對柱間距不受限制的跨河橋，宜採用此比例布置。三柱式蓋梁此比值以平均採用2.8為宜，中柱頂的彎剪鋼筋一般會略大於邊柱頂，為避免浪費，可單獨配筋。
4.2 鋼筋混凝土蓋梁抗剪設計
4.2.1 原理
蓋梁是彎剪受力為主的構件，在彎曲正應力和剪應力的共同作用下，將產生與梁軸線斜交的主拉應力及主壓應力。因混凝土的抗壓強度較高，一般不會被壓壞，當主拉應力較大時，則可能使構件沿著垂直於主拉應力方向產生斜裂縫，並導致蓋梁斜截面發生破壞。因此，鋼筋混凝土蓋梁除應進行正截面強度計算外，還需對彎矩和剪力同時作用的區段進行斜截面強度計算。這就要求蓋梁除了具有合理的截面尺寸之外，還應配置斜彎鋼筋和箍筋。
4.2.2 基本計算方法
在蓋梁抗剪設計中，通常採用的方法是，當截面尺寸滿足斜截面抗剪要求且需配剪力筋時，按極限狀態法的結構設計原理進行剪力分配：計算的剪力值中60%由混凝土和箍筋共同承擔，40%由彎起筋承擔。上述方法一般適用於等截面的簡支梁結構，其高跨比一般為1/15～1/25，而對於普通鋼筋混凝土橋墩台蓋梁，其高跨比一般為1/4～1/6，因此，用此方法計算蓋梁的抗剪強度，其彎起鋼筋的數量要偏大很多，會造成較大的浪費。
4.2.3 建議的計算方法
基於大量的鋼筋混凝土梁的抗剪強度試驗得出結論：梁的抗剪能力，箍筋和混凝土比斜筋能起到更有效的作用，因此本方法的計算思路是用足箍筋和混凝土的抗剪能力，剩餘的剪力才由彎起鋼筋承擔。先給定一個合理的箍筋間距及面積，再計算所需彎起筋的面積。通過計算，筆者認為這種計算方法是符合實際的。
4.2.4 計算結果比較
現有的計算軟體對剪力計算的方法是有區別的。“橋樑綜合計算程式”採用的是基本計算方法；遼寧省交通勘測設計院的“中小橋涵CAD系統”採用的是第二種（筆者建議的）計算方法。西安方舟計算機有限責任公司的“橋樑通CAD6”軟體，對這兩種方法都能計算。經過計算比較得出：第一種計算方法比第二種方法所用的斜筋多35%～55%，且計算出需要斜筋的截面（位置）也比第二種計算方法要多，會造成較大的浪費，所以建議採用第二種計算方法。
4.3 設計體會
通過分析計算和設計實踐，筆者有以下幾點體會：
a）箍筋間距不宜過大，一般以10cm～20cm 為宜，這個間距有利於提高蓋梁的抗裂和抗扭能力，箍筋可用Ⅰ級鋼筋，直徑不宜小於10；
b）彎起筋（斜筋）可以適當加強，其對於抵抗扭轉內力（未計算）是有益的；
c）應充分發揮箍筋與混凝土的作用，合理配置彎起筋；
d）對於箱梁中較寬的蓋梁，還要在橫向上加強設計，因箱梁的支座較少且反力較大，應儘量布置墩台柱與支座位置相對應，這樣會大大改善蓋梁的受力，可以採用布置工字鋼等型式解決局部承壓過大的問題。
蓋梁加固
工程概況
瀋陽市二環快速道路工程西南段由攬軍路、玉屏路 2 條道路組成。攬軍高架橋全長 1 030. 20 m，主橋墩號 51# ～ 101# ，共 5 聯，50 孔。攬軍高架橋上部結構均為簡支空心板，等寬段為預製先張法預應力混凝土空心板，漸變段為現澆普通鋼筋混凝土空心板，板厚均為 85 cm，板寬 1. 03m，18 m 橋寬橫向 17 塊板，25. 5 m 橋寬橫向 24 塊板。主橋所有板在縱橋向均有 50 cm 挑臂搭到“凸”形蓋樑上。該橋下部結構均採用變截面方柱墩，倒梯形隱式蓋梁。主橋寬 18 m 處的橋墩，墩柱上寬 3. 5 m，下寬 2. 5 m，蓋梁兩側懸臂均為 7. 25 m，蓋梁為後張法預應力混凝土結構。主橋寬 25. 5 m 處的橋墩為獨柱墩，墩柱上寬 3 m，下寬 2 m，蓋梁兩側懸臂分別為 4. 74、5 m，為普通鋼筋混凝土結構。
主要病害
對攬軍高架橋進行了檢測，發現 51# 、61# 、71# 、81# 橋墩蓋梁和墩身多處出現嚴重滲水和縱向裂縫等病害，具體闡述如下。
51# 蓋梁
51# 橋墩為過渡墩且為整體式橋墩，其蓋梁寬 18m，為後張法預應力混凝土結構。其病害主要表現為:
1) 蓋梁西面嚴重滲水;
2) 蓋梁西面多處出現縱向裂縫，裂縫最大長度達 3 m，最大寬度為 3 mm，主要出現在蓋梁懸臂根部和中部;
3) 出現露筋、鏽蝕等現象。
61# 蓋梁
61# 橋墩為過渡墩且為整體式橋墩，其一側為預應力混凝土預製空心板，另一側為現澆鋼筋混凝土空心板，橋墩蓋梁寬 18 m，為普通鋼筋混凝土結構。其病害主要表現為:
1) 蓋梁東面嚴重滲水;
2) 蓋梁兩側多處出現縱向裂縫，裂縫最大長度 2 m，最大寬度 0. 3 mm;
3) 蓋梁西面懸臂中部鋼筋鏽蝕嚴重。
71# 、81# 蓋梁
71# 、81# 橋墩為分離式橋墩，單幅橋墩蓋梁寬12. 74 m，為普通鋼筋混凝土結構。其病害主要表現為:
1) 蓋梁東面嚴重滲水;
2) 蓋梁兩側多處出現縱向裂縫，裂縫最大長度 2 m，最大寬度 1 mm;
3) 蓋梁表面存在麻面等。
維護驗算
根據該橋現階段的病害情況，需立即進行維護，以達到如下目標。
1) 確保蓋梁達到安全和正常使用的要求;
2) 限制蓋梁裂縫進一步發展，避免鋼筋和鋼絞線鏽蝕;
3) 在確保橋樑結構安全的前提下，儘可能做到投資最少，施工方便。
蓋梁計算時上部荷載通過空心板由支座傳到蓋樑上，但由於活載通過支座傳到蓋梁的計算非常複雜，且不易計算準確，因此從簡單安全的原則出發，僅考慮空心板自重通過支座傳到蓋樑上，汽車車輪縱向綜合輪載則直接作用在蓋梁頂面。採用《QJX橋樑綜合程式( Windows 版) 》軟體計算。根據計算，51# 、71# 、81# 蓋梁的抗彎極限承載能力滿足規範要求，但裂縫寬度超出規範容許值，因此維護設計主要針對減少裂縫寬度和抑制裂縫進一步發展。61# 蓋梁的抗彎極限承載能力基本滿足規範要求，但儲備不大，且裂縫寬度超出規範容許值。計算得到原蓋梁懸臂根部最大裂縫寬度達0. 22 mm，大於規範規定的 0. 2 mm 限值。對該墩蓋梁補強預應力後，蓋梁根部最大裂縫處為無拉應力，最小正壓應力為 1. 6 MPa，既滿足結構要求，又能限制蓋梁裂縫進一步發展。
加固措施
目前混凝土結構的加固方法主要有以下幾種:
1) 增大截面加固法;
2) 置換混凝土加固法;
3) 外加預應力加固法;
4) 外粘型鋼加固法;
5) 貼上纖維複合材加固法;
6) 貼上鋼板加固法等。根據攬軍高
架橋蓋梁驗算結果及特點，若採用增大截面加固法，不僅對橋下淨空影響較大，而且因本橋蓋梁均為統一截面型式，若加大截面則還會影響景觀，故本橋不考慮該方法。置換混凝土加固法主要適用於承重構件受壓區混凝土強度偏低或有嚴重缺陷的局部加固，主要為加固柱、牆等構件，本橋也不適用。外接型鋼加固法適用於需要大幅度提高截面承載能力和抗震能力的鋼筋混凝土梁、柱結構的加固，而本橋承載力滿足要求，故該方法也不適用。貼上纖維複合材加固法與貼上鋼板法加固機理類似，從補強材料的作用機理看，鋼板較為平整並有一定剛度，因此貼上後的組合截面在受力初期即可參與工作。碳纖維布的纖維在貼上後處於曲線狀態，因此其需要預拉直力，且受力滯後於載入。此外，採用鋼板貼合法也很經濟。6 mm 的鋼板 150 元 /m2 ，而碳纖維板要1 000 元 /m2 ，造價較高，且對施工工藝要求較高，故推薦採用貼上鋼板法。本橋根據驗算結果，51# 、71# 、81# 橋墩蓋梁承載力滿足要求，但裂縫寬度驗算不滿足要求。病害調查發現其裂縫寬度較大，若採用外加預應力加固法能增設截面正應力儲備，並限制蓋梁裂縫的進一步發展，避免鋼筋和鋼絞線的鏽蝕，故對該類蓋梁採用此加固法。對於 61# 蓋梁，調查發現裂縫寬度較小，抗彎承載能力驗算基本滿足要求，若採用貼上鋼板加固法，則可提高蓋梁承載能力，阻止裂縫進一步開展。該方法施工工藝成熟，加固措施經濟合理。下面對典型蓋梁加固措施進行介紹。
51# 橋墩維護措施
在倒“T”形蓋梁頂增設預應力，以提高蓋梁安全儲備，改善蓋梁受力，具體措施如下。
1) 鑿除倒“T”形蓋梁頂橋面鋪裝和後澆築的混凝土層。
2) 提升蓋梁裂縫範圍的空心板，並將其移至靠近蓋梁懸臂根部側相鄰空心板上。
3) 寬度超過 0. 15 mm 的裂縫採用壓漿法修補，寬度小於 0. 15 mm 的裂縫採用封閉法修補。
4) 種植鋼筋，並布設預應力管道及加厚部分普通鋼筋。
5) 澆築蓋梁頂加厚部分混凝土，待混凝土強度達到設計強度的 90% ，且混凝土齡期達到 7 d 後，穿預應力鋼絞線並進行張拉，預應力鋼絞線張拉控制應力為 0. 6 ftk ( 抗拉強度標準值 ) = 0. 6 × 1 860= 1 116 MPa，單束鋼束張拉噸位為 1 562 kN。補強混凝土及鋼束布置示意見圖 1。
6) 空心板復位，並進行橋面系施工。
61# 橋墩維護措施在倒“T”形蓋梁的翼緣外側貼上鋼板，並在蓋梁頂增設普通鋼筋，以提高蓋梁的安全儲備，具體措施如下。
1) 鑿除倒“T”形蓋梁頂橋面鋪裝和後澆築的混凝土層。
2) 提升蓋梁裂縫範圍的預製空心板( 另一側現澆空心板不動) ，並將其移至靠近蓋梁懸臂根部側相鄰空心板上。
3) 寬度超過 0. 15 mm 的裂縫採用壓漿法修補，寬度小於 0. 15 mm 的裂縫採用封閉法修補。
4) 在蓋梁 2 個側面滿貼 6 mm 厚鋼板，鋼板的定位和貼上方式如下。
( 1) 採用灌漿法貼上鋼板。在混凝土表面種植鋼筋來固定鋼板，在混凝土相對應的位置打植筋孔，並種植鋼筋，然後掛鋼板擰緊螺母。往鋼板內注膠，厚度 3 mm。
( 2) 塗刷 5 層防腐漆用於鋼板防腐。
5) 澆築蓋梁頂加厚部分混凝土，移動空心板，使其就位，進行橋面系施工。
施工要點
5. 1 新舊混凝土接觸面鑿毛
為保證維護新澆混凝土與原結構混凝土結合良好並共同受力，鑿除混凝土時宜從鑿除區表面中間開鑿，鑿除區內原結構的構造鋼筋不得剪除，澆築維護混凝土時按原樣予以恢復。
5. 2 鑽孔種植鋼筋
新舊混凝土接觸面種植鋼筋直徑採用 Ф12mm、Ф16 mm 螺紋鋼筋，種植錨筋埋深取 10 倍鋼筋直徑即 12、16 cm，鑽孔直徑為 16、22 mm，錨筋抗拔力在 30、50 kN 以上。
5. 3 預應力施工
張拉操作步驟: 初張拉( 張拉力 P0 為 0. 2 倍設計張拉力 P) →持荷 5min→量測延伸量 δ0 →張拉並用作防腐面漆，但氟碳塗料的選用卻直接影響防腐效果。對氟碳塗料而言，強調組分匹配使用和塗裝系統匹配，塗裝材料和匹配不恰當則達不到防護效果。維持設計噸位P→持荷5 min→量測延伸量δ1→回油→量測延伸量δ2。
5.4 貼上鋼板
對鋼板粘結面進行除銹和粗糙處理，直至出現金屬光澤。噴砂除銹要求為SA2. 5 級，鋼板表面粗糙度要求為40 ～80 μm。在鋼板上鑽植筋孔和注膠孔，注膠孔大小應與灌漿嘴匹配，並保證其周邊密封。原則上植筋孔和注漿孔間距均為40 cm。用腳踏泵或其它灌漿機具從注漿嘴壓入封縫膠，注膠壓力控制在0. 4 MPa 以內。注膠應從最低一端開始，當鄰近注膠嘴有膠液流出時，即應將當前的注膠嘴封閉，並移至出膠的注膠嘴繼續注膠。最後一個排氣管應在維持注入壓力的情況下封堵，以防膠層脫空。常溫(25 )下，固化不少於3 d，若固化溫度降低，則固化時間應相應延長。
結語
採用增設預應力及粘結鋼板法對攬軍高架橋橋墩病害蓋梁進行了加固施工，使蓋梁的承載能力大大提高，並阻止了原有裂縫繼續開展。自2007 年施工藝有一些特殊要求，故應讓專業的塗裝技術人員進行橋樑斜拉索防護塗裝作業，確保斜拉索塗裝質量。
