雙向預應力混凝土箱梁橋頂板縱向抗裂分析

楊建奎

(北京市市政專業設計院股份公司，山西分公司 030000)

雙向預應力混凝土箱梁橋頂板縱向抗裂分析

楊建奎

(北京市市政專業設計院股份公司，山西分公司 030000)

本文以南京秦淮河特大橋主橋為例，利用橋梁博士以及ANSYS10.0分別計算合攏段跨中截面頂板底緣在各種作用下的縱、橫向應力，然后根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》和Kupfer&Gerstle準則、《混凝土結構設計規范》推薦的簡化判別準則分別進行抗裂驗算。從理論上指出了采用雙向或三向預應力的箱梁橋并不適合采用現行《橋規》中的最大拉應力強度準則。

目前，我國橋梁設計規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 62-2004）基于最大拉應力準則，按照第一主拉應力進行混凝土抗裂驗算。實際上，大跨度預應力混凝土箱梁橋一般在頂板同時施加了較大的縱向、橫向壓應力，甚至在施工過程中張拉橫向預應力束會產生較大的剪應力，使構件處于三向應力狀態。因此對于此類橋梁，規范并不適用。

1.研究對象

選取南京秦淮河特大橋主橋為算例，采用C50混凝土。該橋為64m+112m+64m的三跨預應力混凝土變截面連續箱梁橋，為上下行分離的雙幅橋，每幅寬16.75m。上部結構采用三向預應力體系。主梁采用單箱單室截面，墩頂梁高6.384m，跨中梁高2.584m，沿跨徑方向按1.5次拋物線變化，變化長度53.5m；底板厚跨中0.32m、主墩頂1m，變化方式和梁高變化方式相同。主墩頂在箱梁內設2m寬橫隔梁。腹板1～7號塊寬度80cm，9～16號塊寬度60cm，腹板寬度漸變在8號塊內完成，其余參數見圖1。

圖1 箱梁橫截面尺寸

2.合攏段頂板應力計算

首先，采用橋梁博士V3.0計算在縱向預應力束、自重和二期恒載、車道荷載和溫度荷載四種工況下的縱向壓應力。模型如圖2所示。計算所得合攏段跨中截面頂板的縱向壓應力為5.4MPa。

圖2 全橋結構三維模型及工作鋼束圖

其次，采用ANSYS10.0進行橫向應力計算。對合攏段及相鄰5個節段（11#～16#塊，其中16#塊為合攏段）建立三維實體有限元模型，如圖3所示，箱梁混凝土采用Solid45單元，橫向預應力束選用Link8單元，采用實體力筋法（節點耦合法）模擬預應力效應。對左斷面的所有節點進行UX、UY、UZ三個自由度的約束，對右斷面所有節點的的UX、UY進行約束。分別計算在橫向預應力束、梁體自重和二期恒載、溫度梯度和車輛活載四種工況下的應力分布，并提取中跨合攏段頂板底緣的橫向應力，結果見表1。

圖3 梁段實體模型

表1 跨中截面應力匯總（單位∶MPa）

3.不同準則下的頂板安全性預測

1）根據Kupfer & Gerstle準則[3]

將計算得到的頂板底緣的縱向壓應力值、橫向最大拉應力值以及混凝土抗拉強度標準值和設計值帶入Kupfer & Gerstle準則，有：

雙向應力下的抗拉強度標準值

由此可見，頂板的橫向拉應力計算值大于按Kupfer & Gerstle準則而得的抗拉強度，因而按此準則可以預測頂板將開裂。

2）按照《混凝土結構設計規范》推薦公式預測頂板安全性[1]

頂板橫向拉應力的計算值大于按《混凝土結構設計規范》推薦公式而得的抗拉強度標準值和設計值，合攏段跨中截面頂板底緣中部位置出現開裂的概率較大。

3）按照橋涵設計規范推薦準則預測頂板安全性[2]

三維有限元計算得到的跨中截面頂板底緣中間點的最大橫向拉應力為2.58MPa，C50混凝土抗拉強度標準值、設計值分別為2.65MPa與1.83MPa。此處出現縱向開裂的概率沒有按Kupfer & Gerstle準則和《混凝土結構設計規范》推薦公式進行預測出現的概率大。

4.結論

該橋在現行《橋規》開裂判別準則下處于一定的安全范圍，但在Kupfer & Gerstle準則和《混凝土結構設計規范》推薦公式判別準則下則是極不安全的，出現開裂的概率非常大。因此，現行橋梁設計規范采用的抗裂設計理論并不適用于雙向預應力箱梁橋，而應選用更符合其受力特點的雙軸應力強度準則。

[1]中華人民共和國建設部.混凝土結構設計規范 (GB 50010-2010)[S].北京∶中國建筑工業出版社,2010.

[2]中華人民共和國交通部.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范(JTG D62-2004)[S].北京∶人民交通出版社,2004.

[3]過鎮海.混凝土的強度和本構關系-原理與應用[M].北京∶中國建筑工業出版社, 2004.

U45

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1007-6344（2015）06-0324-01