大挑臂復合截面節段梁后裝挑臂縱向預應力效應研究

嚴 搏，郭 濟，盧永成

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

目前國內常規節段拼裝的預制混凝土大箱梁，一般在橋面較窄時采用單箱單室斷面，當橋面較寬時，受到運輸寬度和重量的制約，多采用分體式多箱斷面，工程設備投入套數多，墩頂橫梁施工難度大，工期較長、造價高，景觀效果也難以令人滿意。隨著預制拼裝橋梁技術的不斷應用和發展，采用橫向分段拼裝的大挑臂復合截面節段梁體系開始逐漸受到重視。

大挑臂復合截面節段梁由核心梁段和后裝挑臂兩部分復合組成，兩部分均為節段拼裝的預制混凝土構件，如圖1所示。與常規節段梁相比，此類橫向分段的主梁斷面，具有節段尺寸小、重量輕的特點，能夠在不破壞傳統優選斷面構型的前提上，實現寬幅橋梁的橫向分段預制、運輸及拼裝，有效降低了主梁施工對機具設備的要求。大挑臂復合截面節段梁在國外已有不少成功應用的經典案例，如馬來西亞的檳城雙溪Prai橋引橋、捷克的Vrsovice橋、沙特阿拉伯利雅得的Qurashiyah高架橋等，但國內對于此類橋梁的理論研究與試驗研究還相對滯后。

圖1 標準斷面分解圖

大挑臂復合截面節段梁在施工中一般先形成核心縱梁體系，張拉部分鋼束，隨后在其基礎上添加兩側挑臂，再張拉剩余鋼束，即從張拉時間上來區分，其預應力體系含有先張束與后張束兩種。

核心縱梁的施工與常規節段梁類似，基于預制拼裝的施工效率、維養難度和工程造價，一般采用混合配束預應力體系[1-2]。大挑臂復合截面節段梁的設計重點之一在于如何保證后裝挑臂的受力性能。由于后裝挑臂常為肋板式結構，頂板厚度不大，且挑臂分段拼裝過程中，挑臂與核心梁段、挑臂與挑臂之間均有一定拼裝誤差，疊加橋梁路線自身的縱坡、平曲線、超高等影響，使得在挑臂節段頂板的鋼束預埋管道很難精確對齊，而現場穿束往往較為困難，因此后裝挑臂一般僅在最外側小縱梁內設置一定縱向體內束。

常見的配束方式如圖2所示。

圖2 標準斷面鋼束圖（單位：cm）

由于后裝挑臂最外側小縱梁的鋼束布設空間有限，挑臂的縱向受力性能大部分依靠于核心段縱向鋼束所傳遞的預應力效應。考慮先張束張拉時挑臂未安裝，因此后裝挑臂的縱向受力性能主要源于核心段后張束的預應力效應。

考慮核心主梁后張拉鋼束的預應力效應是根據一定比例在核心主梁、后裝挑臂之間進行分配，在構造尺寸一定的情況下，預應力效應分配的比例與鋼束的傳力路徑有很大關系。不同鋼束類型的傳遞路徑有明顯區別，例如設于頂板的體內束直接通過頂板傳遞預應力效應給挑臂，而體外束則先傳遞給核心梁的橫梁與轉向塊節段，再進一步傳遞給挑臂部分。此外，鋼束距挑臂的橫向距離也對傳力路徑有影響。因此我們以鋼束類型和鋼束橫向位置為參數，研究核心段后張束對挑臂預應力效應的影響。

1 鋼束類型對挑臂預應力效應影響

1.1 評價指標確定

對于順橋向挑臂各關鍵截面，我們用單位體積后張束產生的作用效應來反映預應力的傳遞效率，定義如下：

式中：Q為預應力傳遞效率，kN/m3；F為關鍵截面軸力，kN；V為鋼束體積，m3。

參數Q越高，表示該類型的鋼束作為后張束，對挑臂的預應力傳遞效率越高，更適合作為后張拉鋼束。

1.2 有限元模型概述

利用MidasCivil建立全橋空間桿系有限元模型，整體坐標系X，Y，Z軸，分別代表縱橋向、橫橋向和豎向。跨徑布置3×50m，橋寬25.5m，其中核心主梁、挑臂、挑臂肋板采用梁單元模擬，體外預應力鋼束、體內預應力鋼束采用桁架單元模擬。體外束在轉向及錨固處通過剛臂與主梁節點連接，體內束在每道肋板處通過虛擬梁與挑臂和核心主梁連接，支座處采用彈性連接模擬支座剛度，如圖3所示。主梁材料采用等級為C55混凝土。按照核心梁段先行，挑臂后裝的施工方法，進行施工過程模擬，預制構件齡期均考慮180d。

圖3 Midas空間桿系有限元模型

1.3 鋼束形式影響分析

為了研究鋼束類型對后裝挑臂預應力效應的影響，方便起見，鋼束橫向位置保持不變，分析后張拉頂板體內束、底板體內束、單跨體外束、多跨體外束對挑臂的預應力傳遞效率情況。

體內束采用Фs15.2-15規格，張拉應力為1395MPa。頂板體內束在墩頂負彎矩區布置，根據鋼束長度分為T1、T1’鋼束；頂板體內束T2通長布置，底板體內束T3在各跨跨中布置。

體外束采用Фs15.2-27規格，張拉應力為1209MPa。鋼束布置分為單跨體外束和多跨體外束，W1表示布置在第一跨的體外束，W12表示布置在第一、二跨的體外束，以此類推。

各鋼束布置簡圖如圖4～圖6所示。

圖4 鋼束布置簡圖1

圖5 鋼束布置簡圖2

圖6 鋼束布置簡圖3

各鋼束類型對后裝挑臂的預應力效率對比如圖7所示。

圖7 鋼束類型效率對比圖

從圖7可以看出，墩頂頂板體內束對后裝挑臂大部分區域的預應力傳遞效率均最高，且長束T1比短束T1’效果更好；對于邊支點到邊跨跨中區域，通長頂板體內束T2、單跨體外束W1、W3及雙跨體外束W12、W23效率較高。

考慮張拉鋼束一般在順橋向對稱布置，因此再次對比T1、T1’、T2、（W1+W3）、（W12+W23）五種張拉工況，其預應力效率如圖8所示。

從圖8可以看出，對于邊跨，T2鋼束類型的預應力傳遞效率略高，（W1+W3）、（W12+W23）工況基本一致；但對于中跨，除T1、T1’類型鋼束外，（W12+W23）的傳遞效率明顯更優，（W1+W3）其次，T2最低。

圖8 預應力效率對比圖

綜上所述，基于后張束對后裝挑臂的預應力傳遞效率，可以認為設于墩頂的頂板體內束作為后張束是更有優勢的，且長束效果優于短束，這種布置方式也能很好的匹配挑臂的成橋應力狀況。由于墩頂體內束總量有限，當須進一步提高邊跨后裝挑臂縱向受力性能時，可考慮后張拉通長頂板體內束或雙跨體外束作為補充。

2 鋼束橫向位置對挑臂預應力效應影響

2.1 有限元模型概述

由于設于墩頂的頂板體內束更適合作為后張束，為了更精確的模擬該類型鋼束對挑臂的預應力效應，采用MidasFEA建立半聯實體模型，核心主梁、挑臂、挑臂肋板均采用六面體實體單元模擬，中支點底板支座處進行固定約束，邊支點底板支座處縱向放開，橫向、豎向約束。主梁材料等級C55混凝土，如圖9所示。

圖9 FEA實體模型

2.2 鋼束橫向位置影響分析

鋼束在墩頂布置，采用Фs15.2-15規格，張拉應力1395MPa，鋼束橫向距核心梁邊腹板0.15m。其對挑臂的預應力效應如圖10所示。

由圖10可知，鋼束對后裝挑臂的預應力效應以一定角度擴散至挑臂上。在預應力效應擴散區域，如圖示斷面1，后裝挑臂外側應力小，內側應力大，內外側應力不均勻程度較高；預應力效應擴散至整個挑臂后，如圖示斷面2，挑臂內外側應力較均勻；對于擴散角外的區域，挑臂頂板有一定的拉應力存在。

圖10 挑臂縱向應力圖（單位：MPa）

根據上述標準模型，我們通過改變后張拉鋼束距邊腹板的橫向距離D，來研究鋼束橫向位置對后裝挑臂預應力效應的影響，如圖11所示。

圖11 鋼束布置示意圖（單位：cm）

分別對斷面1、2，研究鋼束不同橫向位置的挑臂應力情況，如圖12和圖13所示，其中橫坐標為鋼束距邊腹板橫向距離，縱坐標為挑臂頂板應力。

圖12 挑臂應力對比圖-斷面1（單位:MPa）

圖13 挑臂應力對比圖-斷面2（單位:MPa）

從圖12結果可見，鋼束橫向位置對挑臂內側應力影響較大，外側基本無影響。從鋼束距邊腹板0.15m變化至3.15m，挑臂內側頂板應力逐漸降低，其中頂緣約減小45%，底緣約減小35%。從圖13結果可見，鋼束的橫向位置對支點附近的挑臂應力影響不大。

綜上，核心段墩頂體內束的預應力效應以一定角度擴散至后裝挑臂。在預應力效應擴散區域，后裝挑臂外側應力小，內側應力大，內外側應力不均勻程度較高，鋼束的橫向位置主要影響挑臂內側應力；預應力效應擴散至整個挑臂后，挑臂內外側應力較均勻，鋼束的橫向位置對挑臂應力影響不大。因此建議后張束貼近后裝挑臂布置并采用長束，能有效增加挑臂內側應力，擴大預應力的有效影響區域。

對于預應力效應擴散角外區域，挑臂有一定的拉應力存在。為改善該區域的縱向受力性能，挑臂外側小縱梁可設置一定縱向體內束。在標準模型的基礎上，挑臂外側小縱梁設置體內束，鋼束采用Фs15.2-5規格，張拉應力1395MPa，應力情況如圖14所示。

圖14 挑臂縱向應力圖（單位：MPa）

可以看出，挑臂外側小縱梁設置一定縱向體內束后，能有效增加挑臂外側的壓應力，使挑臂內外側應力不均勻程度降低。

3 結 論

本文以3×50m大挑臂復合截面節段梁為例，對復合截面節段梁后裝挑臂的縱向預應力效應進行了一系列研究。研究結果表明：

（1）在多種鋼束類型中，設于墩頂的頂板體內束預應力傳遞效率更高，更適合作為后張束；

（2）后張束貼近后裝挑臂布置并采用長束，能有效增加挑臂內側應力，擴大預應力的有效影響區域。由于墩頂體內束總量有限，當須進一步提高邊跨后裝挑臂縱向受力性能時，可考慮后張拉通長頂板體內束或雙跨體外束作為補充；

（3）挑臂外側小縱梁處設置體內束，能有效改善挑臂外側的縱向受力性能，彌補核心段后張束的不足。