預(yù)應(yīng)力混凝土空心簡支板持久狀況及抗裂驗(yàn)算分析

陳海洋

（吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院，吉林 長春 130021）

預(yù)應(yīng)力混凝土空心簡支板持久狀況及抗裂驗(yàn)算分析

陳海洋

（吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院，吉林 長春 130021）

根據(jù)已有設(shè)計資料與最新版的橋梁設(shè)計規(guī)范，以及相關(guān)理論為驗(yàn)算依據(jù)，對某預(yù)應(yīng)力混凝土空心簡支板持久狀況及抗裂計算方法進(jìn)行初步研究,對其內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算分析。結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求。

預(yù)應(yīng)力；混凝土空心簡支板；持久狀況；抗裂；驗(yàn)算分析

1　設(shè)計資料及主要指標(biāo)確定

1.1設(shè)計資料

1.1.1橋面跨徑及橋?qū)?/p>

標(biāo)準(zhǔn)跨徑：根據(jù)該橋的橋下凈空及造價的因素，選取標(biāo)準(zhǔn)跨徑20 m。

主梁全長：考慮到預(yù)制梁安裝需要和伸縮縫的設(shè)置，留4 cm伸縮縫，預(yù)制梁長19.96 m。

計算跨徑：取相鄰支座中心間距19.6 m。

橋面寬度：根據(jù)所在線路的交通量，橋梁橫向?qū)挾炔捎脙?9 m+2×1.5 m人行道。

1.1.2設(shè)計荷載

根據(jù)所在公路的設(shè)計等級，荷載等級選用：公路I級車道荷載，人群荷載3.5 kN/m2。

1.1.3材料及工藝

混凝土：主梁采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土用C40，人行道、欄桿混凝土采用C20，企口縫采用C30;橋面鋪裝采用C30的瀝青混凝土；預(yù)應(yīng)力鋼筋：鋼絞線，fpk=1 570 MPa，彈性模量Ep= 1.95×los MPa。

錨具：采用與鋼絞線配套的XM錨具。

鋼筋：直徑大于或等于12 mm時，采用HRB335鋼筋；直徑小于12 mm時，采用HPB235鋼筋。

板式橡膠支座：采用氯丁橡膠支座，最大溫差為45℃，尺寸根據(jù)計算確定。

鋼板：錨具墊板采用Q235鋼鋼板，伸縮縫處用45號鑄鋼。

1.1.4設(shè)計依據(jù)

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）；《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）。

1.2構(gòu)造布置

（1）橋梁橫斷面：施工方法采用先預(yù)制，再吊裝。板間采用企口縫混凝土濕接。板厚90 cm，預(yù)制板寬105 cm，全橋橫橋向由10塊預(yù)制板拼裝而成，每塊預(yù)制板中有直徑為55 cm的空洞（見圖1）。

圖1　橋梁橫斷面圖

（2）橋面鋪裝：采用厚度為10 cm瀝青混凝土。

（3）橋面采用連續(xù)橋面，邊孔三跨為一聯(lián)，中孔四跨為一聯(lián)，但偏于安全地未計入行車道板的承載力中，采用鋼板伸縮縫，鋼板通過預(yù)埋錨筋錨固在橋面板或橋臺上。

（4）泄水管采用直徑為12 mm的鑄鐵管，每兩跨設(shè)一泄水孔，且在全橋兩側(cè)對稱布置。其縱向間距根據(jù)當(dāng)?shù)亟邓Y料另行計算。

2　持久狀況截面承載能力極限狀態(tài)計算

2.1正截面承載能力計算

求受壓區(qū)高度：取彎矩最大的跨中截面進(jìn)行計算。將空心截面按照等面積和等慣性矩的原則換算成如圖2所示的工字形截面。略去構(gòu)造鋼筋的影響，先按第一類T形截面梁計算混凝土受壓區(qū)高度，即：

受壓區(qū)全部位于翼緣板內(nèi)，說明確定是第一類T形截面梁（見圖2）

圖2　空心板等效換算成工字形截面圖

2.2正截面承載能力計算

梁跨中截面彎矩組合設(shè)計值yOM=1 939.85 kN·m，截面受彎承載力為：

跨中截面正截面承載能力滿足要求。

2.3斜截面承載能力計算

斜截面受剪承載力計算：取距支點(diǎn)h/2處截面進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3.1復(fù)核主梁截面尺寸

所以截面尺寸滿足要求。

2.3.2驗(yàn)算是否需進(jìn)行斜截面抗剪強(qiáng)度的計算《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定，若則不需要進(jìn)行斜截面抗剪強(qiáng)度計算，僅需要按照構(gòu)造配置箍筋。由于：

說明需要通過計算配置抗剪鋼筋。

2.3.3箍筋設(shè)計

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定：主梁斜截面強(qiáng)度按下式計算：

式中：p為斜截面內(nèi)受拉縱筋的配筋率，即箍筋選用直徑為Ф8的四肢Q235鋼筋，間距Sv=200 mm，fsv=195 M Pa，則:

縱向普通鋼筋作為強(qiáng)度儲備，滿足要求。

3　預(yù)應(yīng)力損失估算

3.1力筋張拉控制應(yīng)力

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定:

3.2力筋應(yīng)力損失

對于跨中截面：

式中：μ為鋼筋與管道壁間的摩擦系數(shù)，μ=0.001 5; K為管道每米長度的局部偏差對摩擦的影響系數(shù)，k=0.001 5；x為張拉端至計算截面的管道長度在構(gòu)件縱軸上的投影長度。

3.3短暫狀況的應(yīng)力驗(yàn)算

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按短暫狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)計算構(gòu)件在制造、運(yùn)輸及安裝等施工階段，由預(yù)加力（扣除相應(yīng)的應(yīng)力損失）、構(gòu)件自重及其他施工荷載引起的截面應(yīng)力。該例以跨中截面上、下緣混凝土法向應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

計算結(jié)果表明，在預(yù)加應(yīng)力階段，梁的上緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力，下緣的混凝土壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.4持久狀況的應(yīng)力驗(yàn)算

按持久狀況設(shè)計的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件尚應(yīng)計算其使用階段正截面的法向應(yīng)力、受拉鋼筋的拉應(yīng)力及斜截面的主壓應(yīng)力。計算時，荷載取其標(biāo)準(zhǔn)值，不計分項(xiàng)安全系數(shù)，而汽車荷載應(yīng)考慮沖擊系數(shù)。

3.4.1跨中截面混凝土法向正應(yīng)力驗(yàn)算

其中：

代入式上式可得：

持久狀況下跨中截面混凝土正應(yīng)力驗(yàn)算滿足要求。

3.4.2跨中截面預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力計算

由后期恒載及活載作用產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力鋼筋截面中心處的混凝土應(yīng)力為：

所以鋼束應(yīng)力為：

4　抗裂性驗(yàn)算

4.1短期效應(yīng)組合的正截面抗裂驗(yàn)算

正截面抗裂驗(yàn)算取跨中截面進(jìn)行。

4.1.1預(yù)壓應(yīng)力

預(yù)加力產(chǎn)生的構(gòu)件抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土預(yù)壓應(yīng)力的計算，跨中截面：

4.1.2法向拉應(yīng)力

由荷載產(chǎn)生的構(gòu)件抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力的計算，有：

4.2短期效應(yīng)組合斜截面抗裂驗(yàn)算

斜截面抗裂預(yù)應(yīng)力混凝土空心簡支板驗(yàn)算應(yīng)取剪力和彎矩均較大的最不利區(qū)段截面進(jìn)行，這里仍取剪力和彎矩均較大的L/4截面進(jìn)行計算。

4.2.1剪應(yīng)力

4.2.2正應(yīng)力

4.2.3主應(yīng)力

5　結(jié)語

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁是應(yīng)用最為廣泛的橋梁形式。據(jù)國外統(tǒng)計,預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁是各類橋梁中缺陷率最低、耐久性最好的橋型。上世紀(jì)末以來,國外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)展呈現(xiàn)的特征是跨度記錄不斷刷新,耐久性進(jìn)一步提高,預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)與體外力筋得到大規(guī)模應(yīng)用。這些,有賴于高性能混凝土，以及耐腐蝕筋材和力筋的應(yīng)用。國內(nèi)的發(fā)展情況是橋梁建設(shè)速度明顯加快,優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)材料得到推廣,橋梁建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不斷修訂。這些變化推動著橋梁建設(shè)領(lǐng)域新理論、新技術(shù)、新方法的涌現(xiàn)。由于預(yù)應(yīng)力混凝土空心簡支板梁具有構(gòu)造簡單、受力明確的特點(diǎn),可以工廠化預(yù)制,便于質(zhì)量控制和降低成本；它還可以根據(jù)需求,采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，并就地現(xiàn)澆為適應(yīng)各種形狀的彎、坡、斜橋。因此,在一般公路、高等級公路和城市道路橋梁中廣泛采用。本文以具體工程設(shè)計資料為依托,根據(jù)已有設(shè)計資料,依據(jù)最新版的橋梁設(shè)計規(guī)范,分析了相關(guān)理論計算依據(jù),對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)計算方法進(jìn)行了初步研究,對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計驗(yàn)算。其結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求，可為今后類似工程提供參考資料。

圖13　部分關(guān)鍵測點(diǎn)主應(yīng)力幅隨加載次數(shù)的變化情況

4　結(jié)論

通過模型試驗(yàn)研究了鰲江四橋主橋組合梁橋面板剪力滯效應(yīng)和索梁錨固構(gòu)造疲勞性能兩個關(guān)鍵技術(shù)問題，得到以下結(jié)論：

（1）鋼混組合梁剪力滯系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)總體較吻合；主梁在施工及成橋運(yùn)營階段，剪力滯系數(shù)約為1.03～1.36。

（2）索梁錨固模型疲勞試驗(yàn)過程中，各次靜力加載下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布保持穩(wěn)定，板件均處于彈性狀態(tài)；在疲勞加載試驗(yàn)中各測點(diǎn)應(yīng)變值波動范圍均很小，動應(yīng)力幅值均在60 MPa內(nèi)；經(jīng)過200萬次循環(huán)加載后，試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀闯霈F(xiàn)裂紋和異常現(xiàn)象，索梁錨固結(jié)構(gòu)具有足夠的疲勞強(qiáng)度。

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]BS 5400-5:Steel,concrete and composite bridges[S].Part10.Code of practice for fatigue.London:British Standard Institution,1979.

U448.21+2

B

1009-7716（2016）10-0064-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.020

2016-07-01

陳海洋（1978-），男，吉林榆樹人，高級工程師，從事路橋工程設(shè)計工作。