2 種預應力混凝土連續箱梁鋼束梁端錨固方式對比分析

■謝添榮

（大連市市政設計研究院有限責任公司廈門分公司，廈門 361006）

預應力混凝土連續梁橋具有結構剛度大、整體性能好、變形小、行車舒適等優點，且設計施工較為成熟，施工質量可控，尤其是在后期使用上，主梁變形撓曲線平緩、橋面伸縮縫少，后期養護少[1]，是當下城市高架橋、跨河橋等常采用的結構形式。 目前城市高架橋和立交橋的規模都較大，橋長在幾百米到幾公里不等，跨徑集中在30～50 m，3～5 跨為一聯[2]，橋梁聯數較多，為合理協調施工工序，保證施工工期，在項目實施時均為幾聯同時施工，因此在橋梁設計階段需考慮相鄰聯預應力在梁端張拉錨固時不會相互干擾，需要設計人員對鋼束在梁端的布置方式進行單獨設計。 本文結合工程實際，選取了腹板鋼束在梁端的2 種常見錨固方式進行分析探討。

1 2 種鋼束梁端錨固方式優缺點分析

目前預應力砼連續箱梁腹板鋼束在梁端的布置方式主要有以下2 種：第一種方案是梁端橫梁腹板位置開槽設置后澆帶，腹板鋼束在梁端開槽位置錨固（以下簡稱梁端錨固），第二種方案是鋼束在靠近橫梁位置上彎至頂板開槽錨固（以下簡稱頂板錨固），2 種布置方式如圖1 所示。在橋梁設計方面，僅追求滿足規范對結構強度要求是不夠的，更要重視從結構構造措施、結構形式、結構初始質量去加強和保證結構的耐久性和安全性。 梁端錨固和頂板錨固方式在實際工程中各有優缺點，采用哪種錨固方式來有效提高施工質量，保證橋梁后期的耐久性還需要設計人員綜合全面考慮[3]。

圖1 2 種腹板束梁端布置形式

1.1 方案一：梁端錨固方案

優點：（1）鋼束線形變化角度較小，梁端受力較為均勻；（2）腹板束上彎延伸至橫梁錨固，距離支座較近，鋼束豎彎有利于提高梁端抗剪承載力。

缺點：（1）需開槽設置后澆帶，在施工過程中需切斷較多的橫梁鋼筋， 且與橫梁預應力鋼束的位置有沖突，對橫梁受力有一定影響；（2）后澆帶位置存在施工縫，對橫梁的耐久性有一定影響；（3）不適用于相鄰兩聯腹板位置不一致的情況。

1.2 方案二：鋼束頂板錨固方案

優點：（1）腹板束提前上彎至頂板錨固，對橫梁鋼束及鋼筋均無影響，橫梁整體性好，施工速度快；（2）不受相鄰聯腹板位置影響，適用范圍廣。

缺點：（1）腹板束未伸入橫梁范圍，對主梁支座位置抗剪承載力幫助較小；（2）箱梁頂板開槽對橋面板橫向鋼筋和預應力鋼束的布置影響較大；（3）槽口位置回填混凝土體積小， 回填質量不容易控制，該位置橋面水易滲入錨固區，影響錨具耐久性。

2 2 種布束形式下主梁梁端受力對比分析

2.1 工程背景

選取某高架橋（4×30）m 聯進行分析，采用等高度預應力砼連續箱梁， 箱梁混凝土標號為C50，箱梁截面采用單箱多室截面，邊腹板傾斜度為2∶1，兩側懸臂長為3.5 m。 箱梁頂寬26 m，頂、底板厚為25～45 cm，中、邊腹板厚為40～80 cm。 箱梁在各支點處設置橫梁，邊支點處橫梁厚150 cm，中支點處橫梁厚220～250 cm，箱梁標準斷面如圖2 所示。縱向預應力設置了腹板束、頂板束及底板束，單道腹板布置3 束15Φs15.2 預應力鋼束， 頂底板布置12Φs15.2 鋼束。 預應力鋼束采用高強度低松弛Φs15.2 鋼絞線，塑料波紋管制孔，錨具采用夾片式群錨錨具。箱梁采用整聯現澆，一次落架成型施工方案。

圖2 箱梁標準斷面圖

2.2 橋梁結構計算

2.2.1 計算參數

分別建立2 種梁端布束方案的箱梁有限元模型，主梁結構縱向簡化成平面桿系的計算圖式進行靜力分析，采用Midas Civil 分析軟件進行計算。 本次計算內容主要包括結構自重、混凝土收縮徐變、預應力作用、運營活載、溫度差及支點不均勻沉降等作用效應。（1）預應力參數。彈性模量：1.95×105MPa；標準強度：1860 MPa；鋼筋松弛系數：0.3；孔道摩阻系數：0.17；孔道偏差系數：0.0015；單端錨具變形及鋼束回縮值：6 mm。（2）恒載：一期荷載和二期恒載。一期恒載：包括箱梁、橫梁等材料重量，混凝土容重取26 kN/m3，箱梁按實際斷面計取重量，箱梁橫隔板以集中力計入；二期恒載：包括防撞護欄、橋面鋪裝，橋上管線等。 （3）活載：汽車荷載公路Ⅰ級；人群：3.5 kN/m2。（4）溫度荷載。計算取體系升溫25℃，體系降溫25℃；溫度梯度按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）取值。 （5）基礎不均勻沉降：取0.5 cm。

2.2.2 鋼束布置

2 種方案主梁鋼束布置如圖3 所示，2 種方案鋼束除腹板束在梁端錨固方式不一樣，其余鋼束布置均一致，腹板采用15Φs15.2 預應力鋼束，頂底板采用12Φs15.2 鋼束：

圖3 預應力鋼束布置圖

3 有限元模型概況

3.1 模型簡介

采用Midas Civil 分析軟件建立結構有限元模型（圖4），全橋合計節點133 個，梁單元122 個，邊界條件采用彈性連接及一般支承模擬支座。

圖4 有限元模型

3.2 材料特性

模型的材料性能如下。（1）混凝土材料性能。混凝土材料強度等級為C50，彈性模量為34500 MPa，剪切模量為13800 MPa， 泊松比為0.20， 容重為25 kN/m3， 線膨脹系數為0， fck為32.40 MPa， ftk為2.650 MPa，fcd為22.40 MPa，ftd為1.830 MPa。 （2）預應力鋼筋材料性能。預應力鋼筋材料15.2 的彈性模量為195000 MPa，容重為78.5 kN/m3，線膨脹系數為0，fpk為1860 MPa，fpd為1260 MPa，f ′pd為390 MPa。（3）普通鋼筋HRB400 的彈性模量為200000 MPa，容重為76.980 kN/m3， fsk為400 MPa， fsd為330 MPa，f′sd為330 MPa。

3.3 荷載組合

根據JTG D60-2015《公路橋梁設計通用規范》的規定，運營階段針對邊混主梁主要考慮如下幾種荷載組合。 組合Ⅰ：1.2 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+1.4 汽車荷載； 組合Ⅱ：1.2 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+1.4 汽車荷載 （含汽車沖擊力）+0.49 汽車制動力+0.7 均勻升溫+0.7 梯度升溫； 組合Ⅲ：1.2 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+1.4 汽車荷載 （含汽車沖擊力）+0.49 汽車制動力+0.7 均勻降溫+0.7 梯度降溫；組合Ⅳ：1.0 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+0.7 汽車荷載（不含汽車沖擊力）+1.0 汽車制動力+1.0 均勻升溫+0.8 梯度升溫+0.75 風荷載；組合Ⅴ：1.0 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+0.7 汽車荷載（不含汽車沖擊力）+0.7 汽車制動力+1.0 均勻降溫+0.8 梯度降溫。其中，組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是驗算結構在承載能力極限狀態下的受力情況，組合Ⅳ、Ⅴ是驗算結構在正常使用極限狀態頻遇效應組合下的受力情況。

3.4 內力計算結果

根據上述條件計算得到主梁承載能力狀態下的內力如表4 所示，內力包絡圖如圖5～6 所示。

圖5 承載能力極限狀態彎矩包絡圖

表4 承載能力極限狀態主梁內力極值匯總

圖6 承載能力極限狀態剪力包絡圖

3.5 主梁梁端內力計算結果對比分析

為得到2 種布束形式下主梁梁端受力對比，分別提取距離梁端15 m 范圍內單元的抗彎承載力、抗剪承載力、頂底板正應力、箱梁剪應力和主拉應力，各內力對比如圖7～9 所示。

圖7 主梁抗彎及抗剪承載力對比

從圖7（a）可以看出，鋼束梁端錨固方案主梁抗彎承載力比錨固在頂板提高約50%。 從圖7（b）可以看出，在靠近支點位置，梁端錨固方案的抗剪承載力要高于頂板錨固方案，再往跨中位置頂板錨固方案抗剪承載力會高于梁端錨固方案。 從上述分析可以得出，頂板錨固方案隨著腹板鋼束上彎錨固至頂板會降低主梁在梁端位置的抗彎承載力及支座位置的抗剪承載力，但能提高鋼束上彎位置的抗剪承載力。

從圖8 可以看出，鋼束梁端錨固方案頂底板應力分布均勻，壓應力儲配較大。 鋼束頂板錨固方案應力突變較大，頂板應力呈鋸齒狀分布，底板正應力在鋼束上彎位置急劇減小，相較于梁端錨固方案，壓應力減小約60%；因此對于主梁支點附近的正截面抗裂效應鋼束錨固在梁端方案要明顯優于錨固在頂板方案。

圖8 主梁正應力對比圖

從圖9（a）可以看出，在支點位置鋼束錨固在梁端主梁剪應力比錨固在頂板提高約50%， 但在距梁端6～10 m 位置， 頂板錨固方案剪應力遠大于梁端錨固方案。圖9（b）可以看出，在靠近支點位置，梁端錨固方案的主拉應力分布比較均勻， 頂板錨固方案主拉應力數值明顯增大，且變化幅度較大。 因此對于主梁支點附近的斜截面抗裂效應鋼束錨固在梁端要明顯優于錨固在頂板。

圖9 主梁剪應力與主拉應力對比圖

4 針對2 種錨固方案受力特點的設計措施

在對2 個方案的優缺點、內力及應力對比分析的基礎上， 提出相應的設計措施以改善結構受力，增強結構的耐久性和安全性。

4.1 針對方案一的設計措施

方案一梁端錨固方案的重難點在于如何保證后澆帶位置耐久性，針對該問題，在后澆帶位置增設頂底板短束（圖10），待后澆帶混凝土達到設計強度后單端張拉該部位鋼束。 針對本項目，頂底板增加6 束梁端短束，計算結果如圖11 所示，增加短束后靠近后澆帶位置頂板拉應力減小了約1.2 MPa，底板壓應力提高了0.9 MPa， 有效提高了后澆帶壓應力儲備和耐久性。

圖10 后澆帶增設頂底板短束圖

圖11 方案一增加梁端短束前后主梁正應力對比

4.2 針對方案二的設計措施

方案二頂板錨固方案在腹板束上彎位置，底板應力削弱較多，設計時需增加該位置底板鋼束（圖12），并增強該位置腹板鋼筋，避免因腹板鋼束集中上彎導致腹板出現裂縫； 腹板鋼束張拉完成后，在頂板槽口位置填充微膨脹混凝土，增強錨具耐久性。 針對本項目，底板增加6 束梁端底板短束，計算結果如圖13 所示，增加短束后腹板鋼束上彎位置底板壓應力提高了1.1 MPa，有效提高了底板壓應力儲備和耐久性。

圖12 腹板上彎位置增設底板短束圖

圖13 方案二增加梁端短束前后主梁正應力對比

5 結論

通過對預應力混凝土連續箱梁鋼束梁端錨固和頂板錨固2 個方案構造優缺點、內力及應力進行總結對比，同時針對2 個方案存在的問題提出了相應的設計改進措施，為預應力混凝土箱梁鋼束在梁端的布置設計提供一定的理論參考，但采用哪種錨固方式來有效提高施工質量，保證橋梁后期的耐久性還需要設計人員結合項目實際綜合全面考慮。