預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)分析

石 磊

(天津泰達(dá)城市軌道投資發(fā)展有限公司，天津 300457)

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋最大的特點(diǎn)就是橋梁的主墩采用墩梁結(jié)合的形式，這也是剛構(gòu)橋與其他橋最大的不同之處，采取墩梁結(jié)合這樣做可以減少橋梁在支座上的使用和運(yùn)營中的養(yǎng)護(hù)的問題，減少了運(yùn)營中的養(yǎng)護(hù)成本，也減少了橋墩和基礎(chǔ)的材料用量[1]。并且由于減少了支座的使用數(shù)量，這樣做有利于采取懸臂施工，給施工帶來了方便。預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋正是由于墩梁結(jié)合形成剛架，共同承受上部的荷載，使得受力更加的合理，并且還能更加充分地發(fā)揮橋梁結(jié)構(gòu)的潛能。由于連續(xù)剛構(gòu)橋是兼顧了剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的組合體，具有這兩種橋型的優(yōu)點(diǎn)，所以我們?cè)谠谶M(jìn)行橋型選擇的時(shí)候應(yīng)該優(yōu)先考慮預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋[2]。基于此，文章以某市政工程預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔C合考慮最不利位置的影響，利用有限元分析軟件MIDASCivil完成整體模型，并分析其相應(yīng)的各項(xiàng)力學(xué)性能。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

文章所研究的橋梁為60m+105m+60m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，采用三跨一聯(lián)形式，橋梁全長225m，橋跨布置基本符合規(guī)范要求。跨徑布置如圖1，橋面布置如圖2所示。

圖1 跨徑布置示意(單位：m)

本橋采用懸臂施工方法，箱型梁截面在結(jié)構(gòu)抗彎以及結(jié)構(gòu)抗扭方面具有比較良好的性能。并且在橋梁結(jié)構(gòu)中采用箱型梁截面有利于在截面上布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，并且更方便于預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉。此外箱型截面較其他截面形式而言收縮變形相當(dāng)小并且箱形截面具有構(gòu)造靈活的特點(diǎn)，適用懸臂現(xiàn)澆的施工方法[3]。

(a)跨中截面

中支點(diǎn)截面中心線處梁高6.40m；跨中及邊跨直線段截面中心線處梁高2.90m；邊支點(diǎn)處截面中心線處梁高2.90m。底板厚度由于橋跨呈拋物線變化，底板隨之呈拋物線變化。底板在橋梁的中墩處厚度為150cm，在邊墩支點(diǎn)處厚度為40cm，在跨中厚40cm，按線性變化；頂板厚37cm。中墩處腹板厚度為85cm，而邊墩處腹板厚度為55cm。

1.2 主要材料

(1)混凝土：主橋箱梁采用C50混凝土；橋墩位置采用C40混凝土。

(2)鋼材：采用HPB300鋼筋和HRB400鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼絞線直徑為15.24mm。

(3)錨具：主橋采用OVM15-19錨具、OVM15-21錨具及OVM15-24錨具。

(4)橋面鋪裝：主橋采用水泥混凝土和瀝青混凝土兩種材料進(jìn)行橋面鋪裝，并且設(shè)置相應(yīng)的防水材料。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 模型參數(shù)

運(yùn)用有限元分析軟件MIDASCivil完成整體模型的建模。在建模過程中，主梁用梁?jiǎn)卧M，共采用161個(gè)梁?jiǎn)卧珮蚬?06個(gè)節(jié)點(diǎn)，整體模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模型示意

建模所采用的材料參數(shù)及邊界約束條件分別見表1、表2。

表1 混凝土參數(shù)

表2 鋼筋材料參數(shù)

2.2 主要設(shè)計(jì)荷載

(1)結(jié)構(gòu)自重按GB/T51234-2017《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》采用，主梁采用C50混凝土，容重取26kN/m3。

(2)二期：橋面鋪裝和欄桿、路燈、防護(hù)欄等,二期荷載取值為68.6kN/m。

(3)掛籃：在懸臂現(xiàn)澆施工階段，掛籃要提前作用在上一塊已完成的梁段，不過也因此給橋梁帶來相應(yīng)的掛籃荷載。掛籃荷載取1 000kN。

(4)濕重：在橋梁施工中，由于混凝土的水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，混凝土結(jié)構(gòu)的濕重將給橋梁結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的濕重荷載。

(5)吊籃：在施工階段進(jìn)行邊跨合龍和中跨合龍時(shí)，要進(jìn)行模板的架設(shè)，架設(shè)過程需要利用吊籃，吊籃荷載取為130kN。

(6)預(yù)應(yīng)力：本次設(shè)計(jì)中的預(yù)應(yīng)力鋼筋都采用兩端同時(shí)進(jìn)行張拉。相應(yīng)的張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1395N/mm2。

2.3 內(nèi)力檢算

2.3.1 二期恒載

二期恒載取值為68.6kN/m，在一期、二期恒載作用下，經(jīng)過MIDAS的計(jì)算。在施工階段，模型最大的彎矩為33 752.01kN·m。剪力最大的值為26 919.36kN。

2.3.2 溫度荷載下的內(nèi)力

本次設(shè)計(jì)建模用橋梁整體升溫：用20 ℃來進(jìn)行模擬；整體降溫：用-20 ℃來進(jìn)行模擬。經(jīng)MIDAS的計(jì)算，模型的彎矩最大值6 868.07kN·m，剪力的最大值為97.89kN。

2.3.3 墩臺(tái)沉降內(nèi)力

此橋梁以墩臺(tái)沉降20mm進(jìn)行沉降內(nèi)力計(jì)算，模型的彎矩最大值18 335.99kN·m。最大剪力469.67kN。

2.3.4 活載作用內(nèi)力

此橋采用三車道，均布荷載為10.5kN/m，集中荷載為360kN，考慮橫向折減、縱向折減和汽車荷載沖擊力等因素，經(jīng)MIDAS的計(jì)算，彎矩最大值為17 672.45kN·m，最大剪力2 502.55kN。

2.3.5 正常使用極限狀組合

根據(jù)JTGD60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，公路橋涵結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，采用作用短期效應(yīng)組合、永久作用與可變作用相結(jié)合，其效應(yīng)組合表達(dá)式為：

由圖4可知，在這種情況下的最大值彎矩為-4.448×1010kN·m。

圖4 作用短期效應(yīng)狀態(tài)組合彎矩(單位：kN·m)

2.4 次內(nèi)力檢算

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋由于多方面的原因，在各種作用之下會(huì)發(fā)生一定的強(qiáng)迫變形。在這種情況下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的反力作用于結(jié)構(gòu)本身稱為附加應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力。導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次內(nèi)力的原因有很多，大體可分為內(nèi)部原因和外部原因兩類。例如：墩臺(tái)沉降、溫度的影響、預(yù)應(yīng)力的施加等外部因素的影響，以及諸如混凝土的收縮徐變的影響、截面的構(gòu)造形式的變化等，都會(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力[4]。

2.4.1 混凝土收縮次內(nèi)力計(jì)算

連續(xù)剛構(gòu)橋，是超靜定結(jié)構(gòu)，由凝土的收縮變形而引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力上的變化，這就是收縮次內(nèi)力。混凝土收縮是影響結(jié)構(gòu)次內(nèi)力的重要因素，經(jīng)計(jì)算最大的彎矩值為477.25kN·m，最大的剪力值為-79.54kN。

2.4.2 混凝土徐變次內(nèi)力計(jì)算

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋產(chǎn)生次內(nèi)力，歸其根本原因還是由于混凝土結(jié)構(gòu)本身的收縮徐變?cè)斐傻模谟?jì)算時(shí)主要考慮：

(1)在先期由于結(jié)構(gòu)的自重所產(chǎn)生的彎矩，在后期會(huì)進(jìn)行重新分配。

(2)在先期結(jié)構(gòu)上的由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩，重分配后在后期結(jié)構(gòu)中的彎矩。

通過MIDAS計(jì)算，最大彎矩值為19 518.3kN·m，最大的剪力值為-325.3kN。結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力受混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變有較大的影響。

2.4.3 預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力計(jì)算

在計(jì)算時(shí)，MIDAS程序采用的是等效荷載法來進(jìn)行模擬。其作用原理是將鋼筋和混凝土的作用分別進(jìn)行考慮，用力來代替模擬出鋼筋對(duì)混凝土的作用。在MIDAS中定義荷載工況鋼束一、二次來進(jìn)行計(jì)算。

(1)鋼束一次：產(chǎn)生位移不產(chǎn)生反力。

(2)鋼束二次：不產(chǎn)生位移但產(chǎn)生反力。

經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)次內(nèi)力受預(yù)應(yīng)力的影響較大，彎矩的最大值為59 389.5kN·m，剪力的最大值為-482.97kN。

2.4.4 溫度次內(nèi)力計(jì)算

由JTGD62-2004《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》，計(jì)算溫度變化等效荷載，可如下計(jì)算：

2.4.5 基礎(chǔ)沉降次內(nèi)力計(jì)算

因?yàn)槊總€(gè)不同的支座處都存在著不同大小的豎向支座反力，同時(shí)不同位置處的地質(zhì)條件也有著一定的差異，這些都是可能導(dǎo)致支座發(fā)生不均勻沉降的原因。對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋，墩臺(tái)的沉降對(duì)其有著十分大的影響，結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要由墩臺(tái)沉降引起的內(nèi)力構(gòu)成。我們要明確沉降次內(nèi)力只與墩臺(tái)之間的相對(duì)沉降相關(guān)，與各墩臺(tái)之間的絕對(duì)沉降無直接聯(lián)系。本次設(shè)計(jì)中墩臺(tái)分別給予20mm的沉降，所得到的內(nèi)力進(jìn)行疊加，取最不利的內(nèi)力情況。經(jīng)計(jì)算，支座的沉降會(huì)導(dǎo)致較大的次內(nèi)力，彎矩的最大值為-28 180.4kN·m，最大值位置在中墩處。

2.5 承載能力極限狀態(tài)分析

承載能力極限狀態(tài)組合彎矩包絡(luò)圖見圖5。

圖5 承載能力極限狀態(tài)組合彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

3 結(jié)論

(1)進(jìn)行橋梁的橋跨布置，要根據(jù)具體采用的施工方法來對(duì)梁分節(jié)段，由于本設(shè)計(jì)采用的是懸臂現(xiàn)澆的施工方法，所以將梁段按照3m到5m進(jìn)行分段，合龍段處按1m劃分。這樣做可以減小梁段在施工階段的濕重，保障施工安全。

(2)墩臺(tái)沉降、溫度、混凝土的收縮徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力的計(jì)算是很有必要的。