預應力混凝土連續箱梁鋼束效應分析及調束

羅雅芳

(廣州市設計院集團有限公司,廣東 廣州 510620)

預應力混凝土連續箱梁因其具有整體性好、結構剛度大、行車平順性好、造型美觀、便于養護等優點,在我國橋梁建設中被廣泛運用。橋梁設計的主要目標為結構抗力大于結構內力,一般進行橋梁設計時,橋梁跨徑、截面尺寸、二期恒載、活載已初步確定,即結構外荷載內力已初步確定,影響結構抗力的主要因素是鋼束內力,因此配束成為橋梁設計的重點。預應力在超靜定連續梁中產生次內力,計算表明鋼束次效應占主效應的比值往往較大,分析各類型預應力鋼束主效應、次效應的分布及比例關系,合理優化鋼束配置,達到安全可靠、經濟合理的要求。

1 工程概況

支架現澆施工的預應力鋼筋混凝土變截面連續梁橋,按全預應力混凝土構件設計。橋梁跨徑為(42+70+42)m,主梁為單箱雙室變截面箱梁,全寬12.5 m,梁底寬7.5 m,兩側懸臂各長2.5 m;橋梁中支點處梁高4.2 m,跨中梁高2 m,梁高從支點到跨中采用二次拋物線變化,梁高變化段沿橋梁縱向長度為32.75 m;箱梁腹板厚為0.45～0.7 m,頂板厚為0.25～0.45 m,底板厚為0.24～0.44 m。箱梁混凝土強度為C50。

主梁為三向預應力結構,設置縱向、橫向、豎向預應力束。縱向預應力鋼筋采用高強度、低松弛鋼絞線,其標準強度fpk=1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa,單根鋼絞線公稱直徑15.2 mm,公稱面積140 mm2,預應力鋼束均采用兩端張拉。

2 鋼束次內力特點

(1)連續梁為超靜定結構,由于預加力對超靜定梁引起的結構變形受到支座的約束,將產生支座次反力,次反力又引起次內力。

(2)對于連續梁而言次內力包括次彎矩和次剪力,由于次內力是因多余約束作用產生的,所以其在構件分布上有一個重要特點:次彎矩沿構件軸線分布是線性的,次剪力沿構件軸線分布是常數分布[1]。

(3)根據次彎矩沿構件軸線性分布,可由次反力求出梁內次彎矩,次反力越小,梁內次彎矩越小,反之梁內次彎矩越大。

3 midas Civil計算模型

將主梁離散為62個單元,截面高度以實際線型模擬,支點處以一般支承模擬支座。施工階段為滿堂支架、結構現澆、腹板束加載、頂底板束加載、二期恒載、成橋收縮徐變六個步驟。模型荷載輸入見表1。

表1 模型荷載

初步配束及結構驗算如表2所示。

表2 鋼束初步配置表

模型配置腹板束F、底板短束B、頂板通長束TT、中支點頂板短束T四種,初步配束情況見圖1。

圖1 鋼束布置示意圖(單位:cm)

按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)[2]、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)[3]進行結構驗算,控制截面抗彎承載力驗算、作用頻遇組合應力、作用標準組合應力見表3。

表3 初步配束驗算結果(彎矩使上緣受拉為負,壓應力為負)

由表3可知,結構驗算滿足規范要求。其中中支點截面內力及應力狀態較合理;跨中截面抗彎安全系數2.13,富余較大,作用標準組合最大應力為-14.4 MPa,接近應力限值-16.2 MPa。按經濟合理的要求,跨中截面鋼束有優化空間,本模型鋼束優化目標:保持中支點應力基本不變,降低中跨跨中截面上、下緣壓應力。

4 鋼束次效應分析及鋼束優化

4.1 鋼束次效應分析及優化方法

現以8束各類型鋼束輸入midas模型,通過分析各類型鋼束的主效應、次效應分布及比例關系,判斷各類型鋼束對截面應力的影響程度,見表4～表6。

表4 各類型鋼束次反力(向上為正) 單位:kN

表5 各類型鋼束主應力(受壓為負) 單位:MPa

表6 各類型鋼束次應力(受壓為負) 單位:MPa

(1)腹板束、底板短束在中支點產生負次反力,梁體次彎矩使梁體下緣受拉;頂板束在中支點產生正次反力,梁體次彎矩使梁體上緣受拉。

(2)腹板束F、底板短束B在中跨跨中截面下緣產生較大壓應力,頂板通長束TT中跨跨中截面上緣產生較大壓應力。

(3)腹板束F次應力在中支點截面上緣體現為壓應力,對主應力起疊加作用,次應力占主應力的14%;鋼束次應力在中跨跨中截面下緣體現為拉應力,對主應力起抵消作用,次應力占主應力的36%。減少腹板束F數量,中支點截面上緣鋼束壓應力減小幅度較大,中跨跨中截面下緣壓應力減小幅度較小。

(4)底板短束B次應力在中支點截面上緣體現為壓應力,對主應力起疊加作用;鋼束次應力在中跨跨中截面下緣體現為拉應力,對主應力起抵消作用,次應力占主應力的41%。減少底板短束B數量,中支點截面上緣鋼束壓應力減小幅度較小,中跨跨中截面下緣壓應力減小幅度較大。

(5)中支點頂板短束T次應力在中支點截面上緣體現為拉應力,對主應力起抵消作用,次應力占主應力的15%;鋼束次應力在中跨跨中截面上緣體現為拉應力,在中跨跨中截面下緣體現為壓應力。減少頂板短束T數量,中支點截面上緣應力減小幅度較大,中跨跨中截面上、下緣壓應力減小幅度較小。

(6)頂板通長束TT次應力在中支點截面上緣體現為拉應力,對主應力起抵消作用,次應力占主應力的35%;鋼束次應力在中跨跨中截面下緣體現為壓應力,且數值較大,在上緣體現為拉應力,對主應力起抵消作用,次應力占主應力的91%,幾乎全部抵消。減少頂板通長束TT數量,中支點截面上緣應力減小幅度較小,中跨跨中截面上緣壓應力減小幅度較小、下緣壓應力減小幅度較大。

綜上,根據本模型鋼束優化目標,保持中支點應力基本不變,同時降低中跨跨中截面上、下緣壓應力的方法優選為:減少底板短束B數量,在減少通長束TT數量的同時增加短頂板束T數量。

4.2 鋼束優化及結構驗算

優化后的鋼束配置如表7。

表7 鋼束優化后配置表

按JTG D60—2015[2]、JTG 3362—2018[3]進行結構驗算,控制截面抗彎承載力驗算、作用頻遇組合應力、作用標準組合應力如表8所示。

表8 鋼束優化后驗算結果(彎矩使上緣受拉為負,壓應力為負)

由表7可知,優化后鋼束總重比優化前節省9 364 kg,更為經濟。

由表8可知,鋼束優化后結構驗算仍滿足規范要求。相較于優化前,鋼束優化后中支點截面抗彎安全系數、截面應力值變化不大,中跨跨中截面抗彎安全系數、截面壓應力值均減小,受力狀況更合理。

5 結 語

鋼束次內力使得連續梁的配束具有多樣性。利用有限元軟件對預應力混凝土連續箱梁進行建模計算,比較分析各類型鋼束的主效應、次效應間的分布及比例關系,判斷各類型鋼束對截面應力的影響程度,根據調束目標對鋼束進行了優化調整,可為該類橋梁配束提供參考。