印尼雅加達(dá)高架簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁墩頂連接段受力特性分析

白午龍，盧永成

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國(guó)“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，設(shè)計(jì)咨詢行業(yè)也隨之拓展到更多地區(qū)。在世界范圍內(nèi)，很多國(guó)家在中小跨徑橋梁的上部結(jié)構(gòu)形式選擇上與中國(guó)的設(shè)計(jì)習(xí)慣不盡相同，并形成了其自有的標(biāo)準(zhǔn)化體系[1]。本文以印尼雅加達(dá)收費(fèi)公路項(xiàng)目為背景，研究印尼高架簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁墩頂連接段受力特性。通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連接段頂板鋼束、板厚、隔離段長(zhǎng)度、變截面參數(shù)的優(yōu)化分析，確定預(yù)應(yīng)力混凝土連接段最佳構(gòu)造方案。通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土連接段隔離段長(zhǎng)度、板厚參數(shù)的優(yōu)化分析，確定鋼筋混凝土連接段最佳構(gòu)造方案。

1 工程概況

本工程位于雅加達(dá)市區(qū)的北部東西向的收費(fèi)公路通道，高架橋?yàn)槿绾?jiǎn)支變連續(xù)梁橋，為預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，采用現(xiàn)澆橋面板、橫隔板以及墩頂連接段，小箱梁全橋總體布置見(jiàn)圖1。小箱梁橋跨布置為：33.72 m+2.4 m+33.72 m+2.4 m+33.72 m，橋?qū)?6 m，主梁為6片預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，小箱梁橫斷面布置見(jiàn)圖2。

圖2 小箱梁橫斷面布置圖（單位：mm）

2 預(yù)應(yīng)力混凝土連接段構(gòu)造方案

由于預(yù)應(yīng)力混凝土連接段應(yīng)力狀態(tài)較為不利，故對(duì)連接段長(zhǎng)度、厚度以及配筋等構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)分析比較不同設(shè)計(jì)參數(shù)下連接段的受力情況，選擇出應(yīng)力狀態(tài)較佳的連接段構(gòu)造方案。

在原設(shè)計(jì)方案中，連接段頂板負(fù)彎矩短束為8束，板厚為25 cm，鋼筋混凝土鋪裝10 cm，但在計(jì)算中不考慮，并且負(fù)彎矩短束在連接段橫斷面上居中布置，其他與圖3相同。

（1）頂板鋼束及板厚參數(shù)分析

連接段板厚分別采用20 cm和30 cm，預(yù)應(yīng)力鋼束布置分別采用8束和12束，并且對(duì)預(yù)應(yīng)力短束布置位置進(jìn)行一定的調(diào)整，分析比較連接段受力狀態(tài)。

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土連接段構(gòu)造及配束圖（單位：mm）

（2）隔離段長(zhǎng)度參數(shù)分析

隔離段長(zhǎng)度不同時(shí)，連接段的應(yīng)力狀態(tài)也不相同，為獲得較佳的應(yīng)力狀態(tài)，在（1）中選定預(yù)應(yīng)力鋼束布置方式及合適板厚后，對(duì)不同隔離段長(zhǎng)度的方案進(jìn)行比較，隔離段長(zhǎng)度B分別取750 mm、1 000 mm和1 250 mm，見(jiàn)圖4。

圖4 預(yù)應(yīng)力混凝土連接段隔離段構(gòu)造圖（單位：mm）

（3）連接段變截面參數(shù)分析

選取（2）中最優(yōu)的方案，在預(yù)制梁與變截面根部采取變截面，變截面長(zhǎng)度分別選取400 mm和800 mm，比較連接段的應(yīng)力狀態(tài)改善情況，見(jiàn)圖5。

3 鋼筋混凝土連接段構(gòu)造方案

對(duì)于鋼筋混凝土連接段構(gòu)造，給出了三種方案，三種方案的隔離段長(zhǎng)度有所不同，每個(gè)方案下包含三個(gè)子方案，子方案的板厚又各不相同。即圖6中H、B取值不同。根據(jù)相應(yīng)的橋梁規(guī)范規(guī)定，比較連接段在成橋初期和成橋后期工況下截面最大彎矩，確定最優(yōu)構(gòu)造措施。鋼筋混凝土連接段隔離長(zhǎng)度及板厚見(jiàn)表1。

圖5 預(yù)應(yīng)力混凝土連接段變截面構(gòu)造圖（單位：mm）

圖6 鋼筋混凝土連接段構(gòu)造形式（單位：mm）

表1 鋼筋混凝土連接段隔離長(zhǎng)度及板厚

4 計(jì)算說(shuō)明

4.1 模型概況

基于上述計(jì)算要求，采用空間結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas Civil 2015進(jìn)行建模分析，全橋采用空間梁?jiǎn)卧M。計(jì)算模型見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 小箱梁梁?jiǎn)卧Ｐ?/p>

圖8 墩頂連接段模型

4.2 荷載工況及組合

參照印尼橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[2]及相關(guān)設(shè)計(jì)資料，荷載作用單項(xiàng)工況見(jiàn)表2。橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用2種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，即使用極限狀態(tài)（SLS）和承載能力極限狀態(tài)（ULS）。使用極限狀態(tài)（SLS）用來(lái)驗(yàn)算使用荷載，在其作用下進(jìn)行應(yīng)力等效應(yīng)的驗(yàn)算。承載能力極限狀態(tài)（ULS）用來(lái)驗(yàn)算極限荷載，在其作用下進(jìn)行立柱、承臺(tái)、梁等構(gòu)件的極限設(shè)計(jì)。

為方便表述，將考察的各種作用荷載組合列出如下：

工況一：成橋初期永久作用：結(jié)構(gòu)自重+預(yù)加力+混凝土收縮徐變作用；

工況二：成橋后期永久作用：結(jié)構(gòu)自重+預(yù)加力+10年混凝土收縮徐變作用；

工況三：成橋初期標(biāo)準(zhǔn)組合：成橋初期永久作用+汽車荷載作用；

工況四：成橋后期標(biāo)準(zhǔn)組合：成橋后期永久作用+汽車荷載作用。

工況五：成橋后期永久作用+汽車荷載作用+基礎(chǔ)沉降作用+降溫（初期）。

工況六：成橋后期永久作用+汽車荷載作用+基礎(chǔ)沉降作用+降溫（后期）。

荷載作用單項(xiàng)工況見(jiàn)表2。

表2 荷載作用單項(xiàng)工況

5 受力特性參數(shù)分析

5.1 預(yù)應(yīng)力混凝土連接段

5.1.1 預(yù)應(yīng)力短束及位置的影響

方案一：即為原方案，頂板負(fù)彎矩短束為8束，連接段板厚25 cm，不計(jì)鋼筋混凝土鋪裝的作用，且負(fù)彎矩短束在連接段橫斷面上居中布置。

方案二：頂板負(fù)彎矩鋼束為8束，橫斷面上布置位置在豎直方向上距預(yù)制梁頂板上緣5 cm，不再居中布置，平面布置如圖3所示；連接段板厚為25 cm，其中鋪裝層為10 cm，計(jì)算時(shí)連接段鋪裝層只計(jì)入5 cm，且各向兩邊延伸125 cm，這樣連接段在計(jì)算時(shí)取30 cm，計(jì)入了混凝土鋪裝的影響，并且對(duì)負(fù)彎矩短束進(jìn)行了一定的優(yōu)化，更加符合實(shí)際情況。

方案三：頂板鋼束為12束，其他均同方案二。

預(yù)應(yīng)力短束及位置的影響見(jiàn)圖9。由圖9可知，對(duì)于連接段，主要考慮負(fù)彎矩作用下板頂?shù)睦瓚?yīng)力作用，方案二與方案一相比，預(yù)應(yīng)力鋼束上移能夠增大預(yù)加力正彎矩，使得板頂最大拉應(yīng)力降低，但由于方案一計(jì)算時(shí)忽略了混凝土鋪裝增加連接段剛度的作用，所以其板頂最大拉應(yīng)力為10.13 MPa，反而比方案二的11.42 MPa小，但實(shí)際上方案二的布置形式優(yōu)于方案一。比較方案二和方案三，預(yù)應(yīng)力鋼束增加時(shí)，板頂拉應(yīng)力的確會(huì)有所下降，方案三板頂最大拉應(yīng)力已經(jīng)降到了7.54 MPa，因此采取12束預(yù)應(yīng)力鋼束的設(shè)計(jì)方案較好。

5.1.2 板厚的影響

方案四：頂板負(fù)彎矩短束同樣為12束，并且在預(yù)制梁橫斷面豎直方向上距預(yù)制梁頂板上緣5 cm，連接段板厚為15 cm，鋼筋混凝土鋪裝層為10 cm，但計(jì)算時(shí)只計(jì)入5 cm，這樣連接段在計(jì)算時(shí)厚度取20 cm。板厚30 cm的方案即為方案三。

連接段板厚的影響見(jiàn)圖9。由圖9可知，減小板厚有利于降低板頂?shù)睦瓚?yīng)力，所以采用20 cm板厚的連接段方案優(yōu)于采用30 cm板厚的方案。

5.1.3 隔離段長(zhǎng)度的影響

方案五：頂板鋼束均為為12束，布置方式同方案四，連接段板厚為15 cm，鋼筋混凝土鋪裝層為10 cm，但計(jì)算時(shí)只計(jì)入5 cm，這樣連接段在計(jì)算時(shí)厚度取20 cm；連接段整體向預(yù)制梁方向各延伸75 cm，鋼筋混凝土鋪裝層向兩邊預(yù)制梁方向各伸長(zhǎng)125 cm。

方案六：連接段整體向預(yù)制梁方向各延伸100 cm，其余同方案五。

方案七：連接段整體向預(yù)制梁方向各延伸125 cm，其余同方案五。

隔離段長(zhǎng)度的影響見(jiàn)圖9。由圖9可知，設(shè)置隔離段可以減小連接段上緣拉應(yīng)力，但連接段長(zhǎng)度的增大并不能夠有效緩解連接段上緣拉應(yīng)力過(guò)大的缺陷，即隔離段長(zhǎng)度增大反而會(huì)使得連接段上緣拉應(yīng)力增大。

圖9 預(yù)應(yīng)力混凝土連接段最大應(yīng)力（單位：MPa）

5.1.4 連接段端部采用變截面

由于連接段端部與預(yù)制梁結(jié)合部位一直是應(yīng)力集中處，為緩解此處應(yīng)力，可以在端部采用局部截面增大的方法，此時(shí)為避免截面突變，可以在預(yù)制梁與連接段采用變截面過(guò)度的方法。

方案八：頂板鋼束為12束，從預(yù)制梁橫截面上看，布置在距離預(yù)制梁頂板上緣5 cm處，連接段板厚為15 cm，鋼筋混凝土鋪裝層為10 cm，但計(jì)算時(shí)只計(jì)入5 cm，這樣連接段在計(jì)算時(shí)厚度取20 cm；連接段整體向預(yù)制梁方向各延伸50 cm，即隔離段為50 cm，且采用如圖5所示的變截面形式，變截面長(zhǎng)度40 cm，鋼筋混凝土鋪裝層向兩邊預(yù)制梁方向各伸長(zhǎng)125 cm。

方案九：變截面長(zhǎng)度80 cm，其余同方案八。

連接段端部采用變截面的影響見(jiàn)圖9。由圖9可知，采用變截面時(shí)連接段頂部最大拉應(yīng)力反而比不采用變截面時(shí)大，這是因?yàn)檫B接段局部剛度增大后分得的荷載更多，反而不利于其釋放負(fù)彎矩作用，承擔(dān)的負(fù)彎矩更大，而截面增大引起的應(yīng)力減小反而不明顯，因此頂部的拉應(yīng)力反而更加不利，因此這種優(yōu)化思路在此處并不合適。

綜上可以看出，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連接段時(shí)，板頂拉應(yīng)力一直顯得比較大，效果并不理想，因此，接下來(lái)采用鋼筋混凝土連接段設(shè)計(jì)方案。

5.2 鋼筋混凝土連接段

方案一：連接段隔離長(zhǎng)度為0.5 m，包含三個(gè)子方案中，子方案中連接段板厚分別為20 cm、25 cm和30 cm。

方案二：連接段隔離長(zhǎng)度為1 m，包含三個(gè)子方案中，子方案中連接段板厚分別為20 cm、25 cm和30 cm。

方案三：連接段隔離長(zhǎng)度為1.25 m，包含三個(gè)子方案中，子方案中連接段板厚分別為20 cm、25 cm和30 cm。

不同方案鋼筋混凝土連接段最大彎矩見(jiàn)圖10。由圖10可知，隔離長(zhǎng)度對(duì)連接段彎矩影響較小，隔離長(zhǎng)度增加，成橋初期及成橋后期的最不利彎矩和名義彎矩略有減少。板厚對(duì)彎矩影響較大，板厚越小，連接段彎矩越小。因此適當(dāng)減小板厚是優(yōu)化鋼筋混凝土連接段受力特性的有效措施。

圖10 鋼筋混凝土連接段最大彎矩（單位：kN·m）

（2）對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土連接段，適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量可減小連接段板頂拉應(yīng)力；減小板厚有利于降低板頂?shù)睦瓚?yīng)力；隔離段長(zhǎng)度增大反而會(huì)使得連接段上緣拉應(yīng)力增大；連接段端部采用變截面不利于連接段受力。

（3）對(duì)于鋼筋混凝土連接段，減小板厚是優(yōu)化鋼筋混凝土連接段受力特性的有效措施；隔離長(zhǎng)度對(duì)連接段彎矩影響較小。

6 結(jié)論

（1）印尼雅加達(dá)高架簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁墩頂連接段受力特性復(fù)雜，需要通過(guò)對(duì)墩頂連接段頂板鋼束、板厚、隔離段長(zhǎng)度、變截面等參數(shù)的優(yōu)化分析，確定最優(yōu)構(gòu)造方案。