某混凝土連續(xù)梁變更預(yù)應(yīng)力筋張拉方式的研究

劉 穎

(1．太原理工大學(xué)，山西 太原 030024;2．太原市城市建設(shè)管理中心，山西 太原 030009)

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁全長177．5 m，計算跨度為(48+80+48)m，中支點處梁高6．65 m，跨中9 m直線段及邊跨13．25 m直線段梁高3．85 m，梁底下緣二次拋物線變化，邊支座中心線至梁端0．75 m。梁體為單線單室結(jié)構(gòu)，頂寬12．0 m，底寬6．7 m。如圖1所示，該梁采用掛籃懸臂法澆筑施工，對稱懸澆的節(jié)塊數(shù)量為10個，目前已懸臂施工到9號節(jié)塊，即將開展邊跨直線段施工。

圖1 預(yù)應(yīng)力筋布置局部圖

如圖2所示，該連續(xù)梁大里程側(cè)與6×32 m預(yù)應(yīng)力混凝連續(xù)梁相接。由于施工工期緊迫，急需先行施工連續(xù)梁大里程側(cè)的6×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。但是，當(dāng)該部分施工完畢后，后續(xù)施工的(48+80+48)m連續(xù)梁將沒有操作空間進(jìn)行B9，B10鋼束的張拉作業(yè)，即B9，B10鋼束(合計8束)只能進(jìn)行梁內(nèi)單端張拉作業(yè)，而該梁原設(shè)計的鋼束張拉方式為兩端張拉。

圖2 梁端施工情況

預(yù)應(yīng)力筋的張拉方式由兩端張拉變更為單端張拉將會改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，可能對結(jié)構(gòu)帶來不利影響，為了彌補B9，B10鋼束張拉方式改變的不利影響，擬采取如下方式進(jìn)行調(diào)整:1)大、小里程底板束B9，B10由兩端張拉變更為梁內(nèi)單端張拉;2)大、小里程底板束B13，B14的張拉控制應(yīng)力均由1 287 MPa，1 274 MPa調(diào)整為1 230 MPa;3)9號、10號節(jié)塊的頂板束T11，T12由15-7φ5調(diào)整為17-7φ5，張拉控制應(yīng)力保持1 253 MPa不變。以下將對這一施工方案的變更進(jìn)行檢算，確保結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與原設(shè)計差異較小，并確定最終的變更方案。

2 計算模型及參數(shù)選取

2．1 計算模型

本橋整體模型采用平面有限元程序BSAS建立(見圖3)，全橋共采用61個梁單元，62個節(jié)點。在模型中按照實際的施工順序，對每個現(xiàn)澆節(jié)塊施工分為澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力兩種荷載工況。在施工過程中，結(jié)構(gòu)的安裝與拆除、荷載的加載與卸載、邊界條件的改變等均通過相應(yīng)組的激活與鈍化實現(xiàn)。

圖3 整體模型結(jié)構(gòu)圖

2．2 參數(shù)選?。?，2］

梁體混凝土強度等級為C50，容重取26．0 kN/m3，附屬設(shè)備自重(二期恒載)取114．3 kN/m?；炷潦湛s徐變計算中，年平均濕度取70%?；A(chǔ)變位按相鄰橋墩沉降量之差2 cm考慮，并考慮不同橋墩不均勻沉降的最不利組合。

列車荷載采用ZK活載，沖擊系數(shù)根據(jù)規(guī)范計算為0．985。體系升溫按+20℃計，體系降溫按－20℃計。日照溫差按頂板升溫5℃考慮。

鑒于此梁為部頒通用圖，而此次變更方案僅針對少量邊跨合龍束，故荷載組合適當(dāng)精簡。梁部荷載組合為:1)主力組合:恒載+ZK活載(計入沖擊系數(shù));2)主力+縱向附加力組合:主力+溫度荷載(整體升降溫+頂板升溫)。其中，恒載包括:自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、收縮、徐變、基礎(chǔ)變位。

3 結(jié)構(gòu)檢算

3．1 截面正應(yīng)力

圖4，圖5分別給出了主力組合、主力+附加力組合下的截面上、下緣正應(yīng)力。根據(jù)規(guī)范規(guī)定［3］:主力組合下，σc≤0．5fc=16．75 MPa;主力 + 附加力組合下，σc≤0．55fc=18．425 MPa。

圖4 主力組合下的截面正應(yīng)力

圖5 主力+附加力組合下的截面正應(yīng)力

從計算結(jié)果可以看出:1)在主力組合下，上緣最大壓應(yīng)力為10．14 MPa，上緣最小壓應(yīng)力為 0．18 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為11．57 MPa，下緣最小壓應(yīng)力為0．41 MPa;2)在主力+附加力組合下，上緣最大壓應(yīng)力為11．5 MPa，上緣最小壓應(yīng)力為1．44 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為10．94 MPa，最小壓應(yīng)力為0．39 MPa;3)截面上緣最小壓應(yīng)力的最不利組合為主力組合，截面下緣最小壓應(yīng)力的最不利組合為主+附組合;4)截面上緣最大壓應(yīng)力的最不利組合為主+附組合，截面下緣最小壓應(yīng)力的最不利組合為主力組合。

主力組合下，邊跨跨中主梁上緣最小正應(yīng)力為0．18 MPa，但計算表明恒載作用下該處最小正應(yīng)力為1．44 MPa，可知主梁上緣出現(xiàn)較小正應(yīng)力的原因是ZK活載。一般來說，通過調(diào)整邊跨頂板合龍束可以適當(dāng)改善頂板正應(yīng)力偏小的現(xiàn)象，但是由于目前主梁已懸澆至9號節(jié)塊，不再具備調(diào)整頂板合龍束的條件。變更方案中考慮將頂板束T11，T12的根數(shù)適當(dāng)增加，面積增加13%，但由于T11，T12鋼束合計僅4束，故效果有限。

此外，主墩處主梁下緣最小正應(yīng)力為0．41 MPa，主要原因是計算中支座沉降按照最大值2 cm考慮，偏于保守。

綜上所述，主力組合或主力+附加力組合下，雖然主梁在某些位置出現(xiàn)了壓應(yīng)力小于0．5 MPa的情況，但出現(xiàn)的位置極少，且主要由列車瞬時加載引起;此外，規(guī)范也僅要求主梁不出現(xiàn)拉應(yīng)力，故當(dāng)前由于變更設(shè)計導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部較小壓應(yīng)力的情況是可以接受的。

在運營荷載作用下，混凝土剪應(yīng)力應(yīng)符合下式要求:τc=ττp≤0．17fc=5．695 MPa。根據(jù)計算結(jié)果，主梁在主力組合下的最大剪應(yīng)力為3．51 MPa，主力+附加力組合下的最大剪應(yīng)力為3．51 MPa，均滿足規(guī)范要求。

3．2 主應(yīng)力

根據(jù)規(guī)范規(guī)定［3］:主力組合下，不允許開裂混凝土的主拉應(yīng)力應(yīng)滿足 σtp≤fct=3．1 MPa，主壓應(yīng)力應(yīng)該滿足 σcp≤0．6fc=20．1 MPa;主力+附加力組合下，不允許開裂混凝土主拉應(yīng)力σtp≤fct=3．1 MPa，主壓應(yīng)力應(yīng)滿足 σcp≤0．66fc=22．1 MPa。

從上述計算結(jié)果可以看出:主力組合下，混凝土最大主拉應(yīng)力為2．25 MPa，最大主壓應(yīng)力為9．88 MPa，均滿足規(guī)范要求;主力+附加力組合下，混凝土最大主拉應(yīng)力為2．27 MPa，最大主壓應(yīng)力為9．75 MPa，均滿足規(guī)范要求。

3．3 抗裂性

主力組合下，抗裂安全系數(shù)最小值為1．63;主力+附加力組合下，抗裂安全系數(shù)最小值 1．53，均滿足規(guī)范要求(Kf≥1．2)［3］。

3．4 正截面強度

主力組合下，主墩處主梁最小值為2．57(未考慮消峰作用)，中跨跨中最小值為2．59;主力+附加力組合下，主墩處主梁最小值為2．55(未考慮消峰作用)，中跨跨中最小值為2．47，主梁正截面抗彎強度均滿足規(guī)范要求［3］。

3．5 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力幅

根據(jù)規(guī)范［3］，預(yù)應(yīng)力筋的容許應(yīng)力幅為140 MPa，計算結(jié)果表明，主力、主力+附加力組合下的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力幅均為57．36 MPa，均滿足要求。

4 結(jié)語

1)雖然主梁在某些位置出現(xiàn)了壓應(yīng)力小于0．5 MPa的情況，但出現(xiàn)的位置極少，且主要由列車瞬時加載引起。此外，規(guī)范也僅要求主梁不出現(xiàn)拉應(yīng)力，故當(dāng)前由于變更設(shè)計導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)較小壓應(yīng)力的情況是可以接受的。

2)一般來說，通過調(diào)整邊跨頂板合龍束可以適當(dāng)改善頂板正應(yīng)力偏小的現(xiàn)象，但是由于目前主梁已懸澆至9號節(jié)段，故此方法效果有限。

3)主力組合或主+附組合下，結(jié)構(gòu)抗裂性、強度及預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力幅等滿足規(guī)范要求。

擬變更設(shè)計內(nèi)容不會影響主梁的結(jié)構(gòu)安全，擬變更設(shè)計方案是可行的。

［1］ TB 10002．1-2005，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］．

［2］ TB 10020-2009，高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)［S］．

［3］ TB 10002．3-2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．