兩座預應力混凝土連續(xù)梁橋的設計分析

馬碧波,周 藝,李光鳳

(西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

1 設計簡介

1.1 天津市靜王立交

天津市靜王立交主線 7#～10#墩主橋上跨津滄高速公路,設計荷載:公路 —Ⅰ級。橋?qū)?15 m,布置跨徑(35+50+35)m,為等截面箱形預應力混凝土連續(xù)梁。梁高 2.5 m,為主跨的 1/20,采用單箱三室截面,懸臂長 2 m,腹板中心線間距 3.6 m,頂板厚 25cm,底板厚 20cm,跨中腹板正常段厚度40cm,支點段加厚至 60cm,以提高抗剪能力和滿足雙排鋼束錨固布置需要。主梁采用支架現(xiàn)澆施工,分段施工,分段張拉。設置施工縫 2道。先施工中跨 50 m和兩邊跨靠近中間支點段 10 m(此處恒載作用下彎矩為零,由結(jié)構(gòu)力學可知邊跨彎矩零點距中支點的距離為L/5=10 m,L為主跨跨徑),形成簡支雙懸臂結(jié)構(gòu),張拉腹板鋼束 F 5～F 8并拆除中跨支架以盡量減少交通中斷。然后澆筑兩邊跨剩余混凝土,張拉剩余腹板鋼束 F 1～F 4,F 9～F 12。拆除邊跨支架后張拉中間支點頂板束D1～D 2。主梁采用 C 50混凝土,腹板鋼束采用9j15.24和 12j15.24預應力鋼絞線,O V M15—9,O V M15—12錨具,每個腹板上橫向布置 2束,縱向采用連接器在施工縫處接長。預應力鋼束采用雙向張拉,張拉控制應力0.72fpk。頂板局部短束采用 5j15.24,B M15—5體系。在頂板預留槽口處張拉,最后完成橋面二期鋪裝。

1.2 抗州至長興高速公路

杭州至長興高速公路主線 177#～181#墩主橋上跨東西大道,設計荷載:公路 —Ⅰ級。單幅橋?qū)?13.25 m,布置跨徑為(27+33.8+31+27)m,為等截面箱形預應力混凝土連續(xù)梁。梁高 2.1 m,約為主跨的 1/16,采用單箱雙室截面,懸臂長 1.75m,腹板中心線間距 4.65 m,頂板厚 25c m,底板厚 25cm,跨中腹板正常段厚度 45c m,支點段加厚至 65c m。主梁采用支架整體現(xiàn)澆,一次張拉成橋。雙向張拉,張拉控制應力 0.72fpk,不設施工縫。主梁采用 C 50混凝土,腹板鋼束采用12j15.24預應力鋼絞線,每個腹板上橫向布置 1束,同時設置頂板通長束和局部短束以及底板通長束,均采用12j15.24預應力鋼絞線,O V M15—12錨具。在頂板和底板設置齒塊,短束錨固于齒塊上,最后完成橋面二期鋪裝。

2 計算分析

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTGD 62-2004)采用近似概率極限狀態(tài)設計法,對上面兩座連續(xù)梁按正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)進行計算分析和對比。其中正常使用極限狀態(tài)以結(jié)構(gòu)彈性理論為基礎進行計算,承載能力極限狀態(tài)以塑性理論為基礎進行計算。對于正常使用極限狀態(tài)給出短期荷載效應組合截面抗裂性計算結(jié)果 (一般以此項作為應力的控制),對于承載能力極限狀態(tài)給出正截面抗彎承載力的計算結(jié)果(見圖1～圖 6)。

從圖 1知,靜王立交連續(xù)梁在荷載短期效應組合情況下,截面上下緣均處于完全受壓狀態(tài)(沒有出現(xiàn)負值),上緣最小壓應力 0.4 MPa,下緣最小壓應力0.3MPa,屬于全預應力混凝土構(gòu)件。但是由于梁高為主跨的1/20,只配置了腹板鋼束和頂板局部短束給調(diào)束帶來較大的不便,造成整個梁段應力的分布不均勻,個別截面很難通過(如支點鋼束彎起處)。值得注意的是由截面溫度梯度荷載產(chǎn)生的跨中截面下緣拉應力達到 1.08MPa,而汽車荷載產(chǎn)生的拉應力也只有2.23 MPa。當然從圖 2、圖 3可以看出結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡圖比較逼近,此種配束方法比較節(jié)約材料,鋼絞線 22.7 kg/m2,混凝土 0.75m3/m2。此橋的另一配束優(yōu)點是考慮到長預應力鋼束由于多次反彎引起的預應力損失 (這種損失通常很大)。計算結(jié)果顯示跨中截面鋼束F 5的預應力摩阻損失 σl1=158 MPa,由混凝土徐變引起的跨中主梁上拱值為 4.1mm,中間設置施工縫。鋼束分段接長,同時方便了穿束、張拉和壓漿等操作工藝,但橋梁在實際使用中容易出現(xiàn)施工縫處滲漏水的毛病,這也是其弊病之一。

從圖 4可知杭長高速(27+33.8+31+27)m連續(xù)梁在荷載短期效應組合情況下,截面上下緣均處于完全受壓狀態(tài),上緣最小壓應力 0.7 MPa,下緣最小壓應力 1.9 MPa,屬于全預應力混凝土構(gòu)件。由于梁高為主跨的 1/16,同時配置了腹板鋼束、頂板通長束和局部短束、底板通長束使得整個梁段應力的分布比較均勻,截面調(diào)束容易通過,混凝土收縮徐變較小,材料強度得到充分利用。計算結(jié)果同時顯示由截面溫度梯度荷載產(chǎn)生的跨中截面下緣拉應力達到 0.98MPa,而汽車荷載產(chǎn)生的拉應力也只有 1.13MPa,由混凝土徐變引起的跨中主梁上拱值為 3.5mm。活載作用下應力變化范圍較小,各個截面的安全系數(shù)趨于統(tǒng)一。但從圖 5、圖6可以看出內(nèi)力包絡圖相差較遠,此種配束方法比較耗費鋼絞線材料,其用材指標為:鋼絞線 25kg/m2,混凝土 0.74m3/m2。特別是跨中截面鋼束 W1的預應力摩阻損失 σl1高達 433 MPa。另外近 120 m長的連續(xù)梁一次張拉到位也不易控制,尤其是鋼束張拉伸長量與理論計算值相差較大。齒塊的設置也是使得錨固構(gòu)造復雜化。當然此法避免了施工縫帶來的后患,使用安全性也比較穩(wěn)定。

圖1 靜王立交短期荷載效應組合下截面正應力圖

圖2 靜王立交承載能力極限狀態(tài)最小彎矩及抗力

圖3 靜王立交承載能力極限狀態(tài)最大彎矩及抗力

圖4 杭長高速短期荷載效應組合下截面正應力圖

圖5 杭長高速承載能力極限狀態(tài)最大彎矩及抗力

圖6 杭長高速承載能力極限狀態(tài)最小彎矩及抗力

3 設計體會

對于常規(guī)的等截面預應力混凝土連續(xù)梁,可以根據(jù)跨徑布置情況,采取靈活的配束方式,上面兩座連續(xù)梁互有優(yōu)缺點,對于采用何種配束方法,除按結(jié)構(gòu)受力計算確定外,都必須考慮實際施工和使用階段的要求。(1)為了減少預應力損失,可以采用分段張拉接長的方式, 一次張拉長度不易超過 120 m。(2)考慮到活載偏載引起的約束扭轉(zhuǎn)正應力影響,將活載橫向分布系數(shù)乘以 1.15來計算。(3)為了減少連續(xù)梁的次內(nèi)力,鋼束線形可以參考確定活載作用下的吻合束線形。但實際的設計還是應該以束界為主作為控制。(4)主梁高度對鋼束的布置影響很大,腹板的間距和總厚度對主梁抗剪影響很大,從而決定鋼束的彎起位置,一般在恒載的零彎矩點處,束筋合力重心線應靠近該處截面中心線,施工縫也應盡量選擇于此處設置。(5)考慮到剪力滯的影響和橋面板橫向應力的限制,腹板的間距不易太大,同時應優(yōu)先布置腹板束,且鋼束應盡量靠近腹板布置。(6)新規(guī)范對溫度應力的要求有嚴格的限制,在引起連續(xù)梁溫度應力的諸溫度荷載中,以截面溫度梯度荷載最為不利,其產(chǎn)生的溫度自應力和次應力應給予足夠的重視。

4 結(jié)束語

對于變截面預應力混凝土連續(xù)梁可以通過調(diào)整支點和跨中的梁高來調(diào)整結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,但對于等截面連續(xù)梁來說,由于截面剛度沿橋長幾乎不變,所以只能通過調(diào)整鋼束線形來抵抗固定的內(nèi)力。這就要求在設計過程中對預應力鋼束進行反復大量的試調(diào)和微調(diào)以達到設計期望的應力分布和結(jié)構(gòu)抗力。

[1]范立礎.橋梁工程[M].人民交通出版社,2001

[2]葉見曙.結(jié)構(gòu)設計原理[M].人民交通出版社,2005

[3]項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].人民交出版社,2001