預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁鋼束布置方案的探討

周加生

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海市 200235）

0 引言

隨著橋梁工程的發(fā)展，張拉設(shè)備及施工工藝的進(jìn)步，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁已作為橋梁結(jié)構(gòu)的主流形式。但作為其中關(guān)鍵的受力鋼筋，由于受超靜定結(jié)構(gòu)二次力的影響，其鋼束布置復(fù)雜多變，難以把握。現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例，在不影響相鄰聯(lián)鋼束施工的前提下分別采用常見的配置腹板束和頂?shù)装迨皟H配置腹板束兩種方案，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)受力性能和設(shè)計(jì)施工便利等角度進(jìn)行分析比較，推薦優(yōu)先采用僅配置腹板束方案，并就如何優(yōu)化鋼束幾何形狀進(jìn)行了說明，可為同行進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束布置提供借鑒[1,2]。

1 實(shí)際工程的兩種配束方案

城市立交橋梁要求其外觀優(yōu)美、線形流暢、跨越能力大且對(duì)曲線及變寬段適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)近年來我國多條高架道路橋梁建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以30 m為標(biāo)準(zhǔn)跨徑較為合適。某立交橋梁主線采用分離式結(jié)構(gòu)，全線標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)采用3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁高為2 m，單側(cè)橋面寬度12.84 m，其橫斷面見圖1。

現(xiàn)采用兩種不同的配束方案按照A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，方案一為單個(gè)腹板配置單排腹板束，搭配頂?shù)装迨桨付蝹€(gè)腹板配置雙排腹板束，箱梁腹板厚度作相應(yīng)調(diào)整，方案一腹板跨中厚度為0.4 m，支點(diǎn)處加厚至0.6 m，方案二腹板跨中厚度0.5 m，支點(diǎn)處加厚至0.8 m。兩種方案具體鋼束布置形狀見圖2、圖3。

圖1 橫斷面布置圖（單位：mm）

在以上兩種配束方案均能滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D62-2004規(guī)定的持久狀況承載能力極限狀態(tài)及持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算的各項(xiàng)要求情況下，材料用量見表1。通過表1對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案二與方案一相比，鋼束用量、波紋管長(zhǎng)度以及錨具數(shù)量均要減少，而且鋼束和錨具種類單一；由于方案二腹板加厚，造成混凝土用量比方案一高出3.48%，但是混凝土價(jià)格相比其他材料價(jià)格低廉，因此方案二相比之下，施工便利，施工質(zhì)量更容易得到保證，縮短了施工周期，節(jié)約了投資。

2 兩種配束方案計(jì)算結(jié)果比較

基于以上兩種不同的鋼束配置方案，其正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算結(jié)果見圖4、圖5。圖中應(yīng)力單位為MPa，壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。

圖2 方案一鋼束布置圖（單位：mm）

圖3 方案二鋼束布置圖（單位：mm）

表1 鋼束布置方案比較

圖4 方案一正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算

圖5 方案二正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算

通過對(duì)比兩種配束方案下結(jié)構(gòu)受力發(fā)現(xiàn)，中支點(diǎn)截面和梁端處為結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)，在短期效應(yīng)組合下，方案一支點(diǎn)處截面主拉應(yīng)力為1.16 MPa大于方案二0.89 MPa更接近于規(guī)范規(guī)定的限制1.325 MPa；方案一結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖線形呈鋸齒狀，由于存在很多短束，存在大量的齒塊，引起應(yīng)力集中，齒塊本身為結(jié)構(gòu)受力的一個(gè)薄弱點(diǎn)，齒塊自身及其端部容易產(chǎn)生裂縫，施工繁瑣且質(zhì)量得不到保障。方案二結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖線形更加流暢。在標(biāo)準(zhǔn)組合下，方案二上下緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備分別為7.68 MPa和6.01 MPa，比方案一8.23 MPa和5.73 MPa受力更加均勻。就整體受力性能而言，方案二結(jié)構(gòu)受力比方案一更加優(yōu)越。

3 梁端配束問題

腹板束在梁端的錨固位置不外乎本文的兩種配束方案，如方案一腹板束錨槽不進(jìn)入端橫梁，雖然這樣張拉腹板束不受相鄰聯(lián)箱梁的限制，有利于加快施工進(jìn)度，不受端橫梁鋼束的干擾，但是由于降溫梯度的影響，箱梁上緣梁端出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力1.76 MPa，見圖6，在恒載（包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)）作用下，箱梁下緣近梁端處產(chǎn)生較大的峰值拉應(yīng)力1.09 MPa，見圖7，因此梁端均需設(shè)置單端張拉的頂?shù)装迨鴣斫档徒憾松舷戮壚瓚?yīng)力；同時(shí)《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(jì)規(guī)范》（TB 10002.3—2005）明確規(guī)定：腹板下端橋軸方向的預(yù)應(yīng)力鋼筋至少應(yīng)有1/2伸過支點(diǎn)。雖然《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）沒有明確規(guī)定，但對(duì)公路及市政橋梁設(shè)計(jì)仍然具有借鑒意義。由此可見，從結(jié)構(gòu)受力及規(guī)范規(guī)定上看，鋼束通過端支點(diǎn)是必要的，但是按照方案一這種常見的配束思路，采用單端張拉頂?shù)装迨舫霈F(xiàn)斷絲的情況難以采取補(bǔ)救措施，再者腹板束從橋面張拉，施工期間若未注意防水措施，容易引起錨頭銹蝕，從而造成結(jié)構(gòu)耐久性能降低。

方案二僅配置腹板束，張拉端位置過支點(diǎn)，但距梁端的距離不得小于伸縮縫槽口。同時(shí)縱向鋼束和端橫梁橫向鋼束設(shè)計(jì)時(shí)稍加調(diào)整也可以避免鋼束之間相互干擾。為了不影響相鄰梁端鋼束張拉，過渡墩處相鄰兩聯(lián)腹板束可采用先后張拉順序。因此稍微加強(qiáng)設(shè)計(jì)，方案二的配束方案絲毫不會(huì)影響施工的可行性。

圖6 方案一降溫梯度上緣正應(yīng)力

圖7 方案一恒載+預(yù)應(yīng)力效應(yīng)作用下下緣正應(yīng)力

4 配置頂?shù)装迨鴨栴}

對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，中跨下緣的鋼束預(yù)應(yīng)力使支點(diǎn)處截面上緣拉應(yīng)力減小，支點(diǎn)處截面下緣拉應(yīng)力增大，跨中處下緣的拉應(yīng)力減小；中跨上緣的鋼束預(yù)應(yīng)力使支點(diǎn)處截面上緣拉應(yīng)力增大，跨中處截面上緣拉應(yīng)力減小，支點(diǎn)處截面下緣拉應(yīng)力減小；支點(diǎn)上緣的鋼束預(yù)應(yīng)力使支點(diǎn)處截面上緣拉應(yīng)力減小，跨中處截面上緣拉應(yīng)力增大，跨中處下緣的拉應(yīng)力減小；支點(diǎn)下緣的鋼束預(yù)應(yīng)力使跨中處截面上緣拉應(yīng)力減小，支點(diǎn)處截面下緣拉應(yīng)力減小，跨中處截面下緣拉應(yīng)力增大。不同位置施加預(yù)應(yīng)力引起關(guān)鍵截面短期效應(yīng)組合下（未考慮其他鋼束應(yīng)力效應(yīng)影響）拉應(yīng)力變化見表2。因此對(duì)于方案一在恒載作用下支點(diǎn)上緣存在較大拉應(yīng)力，需要配置支點(diǎn)上緣預(yù)應(yīng)力鋼束T1L、T1R來克服，而T1L、T1R鋼束又會(huì)引起跨中上緣拉應(yīng)力的增加，因此需要設(shè)置過中支點(diǎn)的中跨上緣預(yù)應(yīng)力鋼束T2和邊跨上緣預(yù)應(yīng)力鋼束T3L、T3R；同理在恒載作用下跨中下緣存在較大拉應(yīng)力，需要在跨中下緣配置預(yù)應(yīng)力鋼束B2~B4，這些鋼束同樣會(huì)引起支點(diǎn)下緣拉應(yīng)力增大，因此需要設(shè)置過支點(diǎn)底板束B1。經(jīng)上述分析，按照方案一配束思路，某些關(guān)鍵截面配置局部短束消除拉應(yīng)力的同時(shí)會(huì)引起其他截面拉應(yīng)力的增加，因此鋼束之間產(chǎn)生的應(yīng)力有相互抵消效應(yīng)。相對(duì)于鋼束在箱梁腹板內(nèi)根據(jù)受力需要彎起的方案二來說，方案一預(yù)應(yīng)力鋼束利用效率有所降低。

5 預(yù)應(yīng)力鋼束布置應(yīng)注意的幾個(gè)問題

在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁設(shè)計(jì)過程中，預(yù)應(yīng)力鋼束的布置工作往往是設(shè)計(jì)過程中的重難點(diǎn)。下面將筆者在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到的幾個(gè)問題加以說明，第一：對(duì)于跨徑相等的多跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，連續(xù)梁邊跨內(nèi)力大、中跨內(nèi)力小，但是由于預(yù)應(yīng)力二次效應(yīng)及降溫梯度效應(yīng)的影響并非中跨跨中底板束一定比邊跨跨中底板束少；第二：在中支點(diǎn)兩側(cè)附近因?yàn)楦拱迨鴱澠鹨鹆航孛嫦戮壚瓚?yīng)力線形出現(xiàn)局部隆起現(xiàn)象，可以通過減小腹板束彎起角度，使此處拉應(yīng)力局部隆起效應(yīng)得到明顯改善；第三：對(duì)于僅配置腹板束方案二，預(yù)應(yīng)力鋼束線形較方案一平緩流暢，且鋼束群彎折中點(diǎn)一般位于恒載反彎點(diǎn)附近；第四：對(duì)于方案二在施工階段端橫梁的計(jì)算寬度需要扣除梁端槽口寬度，因此一般情況下方案二端橫梁較方案一要寬。

表2 關(guān)鍵截面應(yīng)力變化表

6 結(jié)語

通過對(duì)上述工程實(shí)例研究分析，對(duì)于常規(guī)中等跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，在滿足結(jié)構(gòu)持久狀況承載能力極限狀態(tài)及持久狀況正常使用極限狀態(tài)的要求下，雖然采用腹板束加頂?shù)装迨男问剑涫容^靈活，很容易使結(jié)構(gòu)滿足受力要求。但不妨通過適當(dāng)增加箱梁腹板厚度，采用僅配置腹板束的形式，不僅提高預(yù)應(yīng)力鋼束的使用效率，改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，還能在方便施工、縮短施工周期和節(jié)約投資上取得很好的效果。