舒 彬

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南 714000)

1 概述

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋常見(jiàn)的配索方式有兩種：一種是采用曲線預(yù)應(yīng)力筋,布置下彎索,由下彎索提供抗剪能力；另一種是取消下彎索,采用直線預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力共同抗剪。第一種布索方式,優(yōu)點(diǎn)是下彎索與梁體斜向主拉應(yīng)力方向一致,抵抗主拉應(yīng)力的效果很好,缺點(diǎn)是預(yù)應(yīng)力筋要從頂板橫向彎曲到腹板對(duì)應(yīng)的位置,再下彎,摩阻損失大,彎曲索法向會(huì)產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力,且很難錨固到截面邊緣,一般只能錨固到腹板側(cè)面專門設(shè)置的齒板上,對(duì)腹板橫向變形和局部應(yīng)力都有一定不利的影響。第二種布索方式主要依靠豎向縱向直線預(yù)應(yīng)力組合抵抗主拉應(yīng)力；通過(guò)調(diào)整豎向預(yù)應(yīng)力的大小,在理論上是可以完全克服主拉應(yīng)力的,受力簡(jiǎn)單,用鋼量少且施工方便[1]；然而20世紀(jì)90年代以來(lái)采用這種方式的連續(xù)梁在腹板上出現(xiàn)了大量的斜裂縫[2],說(shuō)明這種配索方式也存在缺陷。基于葉溪河大橋?qū)崪y(cè)和分析,對(duì)比兩種配索方案的預(yù)應(yīng)力損失對(duì)內(nèi)力的影響,綜合分析并提出合理的配索方式。

2 直線+豎向配索方案的理論分析

根據(jù)箱梁優(yōu)化理論可知[1]：腹板的主拉應(yīng)力可以通過(guò)豎向預(yù)應(yīng)力和縱向預(yù)應(yīng)力兩者組合來(lái)控制,而不需要下彎預(yù)應(yīng)力索來(lái)承受。主拉應(yīng)力公式

假設(shè)主拉應(yīng)力σl≤0(即沒(méi)有拉應(yīng)力或表現(xiàn)為主壓應(yīng)力)則

即σxσy≥τ2

當(dāng)σxσy≥τ2時(shí)，腹板只出現(xiàn)主壓應(yīng)力或既沒(méi)有主拉應(yīng)力也沒(méi)有主壓應(yīng)力；采用直線配索方式,由于預(yù)應(yīng)力索沒(méi)有彎曲,法向不會(huì)出現(xiàn)混凝土拉應(yīng)力,故不需要布置單獨(dú)的鋼筋抵消彎曲預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的法向拉應(yīng)力,受力模式簡(jiǎn)單,用鋼量少,施工方便；理論上完全可以取消下彎預(yù)應(yīng)力索和彎起預(yù)應(yīng)力索,只要調(diào)整σxσy的乘積就可以了。

3 豎向預(yù)應(yīng)力的有效性調(diào)查和分析

宜昌—萬(wàn)縣葉溪河大橋主體結(jié)構(gòu)為80 m+108 m+80 m連續(xù)箱梁鐵路橋,豎向預(yù)應(yīng)力筋采用精軋螺紋粗鋼筋；對(duì)葉溪河大橋中跨1/4跨附近的豎向預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)報(bào)告中根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)建立指數(shù)擬合豎向預(yù)應(yīng)力損失曲線如圖1所示。

圖1 指數(shù)擬合預(yù)應(yīng)力損失曲線

由圖1可以看出：錨固完成后的一個(gè)月左右損失最快可達(dá)10%,兩年內(nèi)損失在25%～30%；兩年以后損失逐漸減慢,從損失擬合曲線推算,大概5～6年預(yù)應(yīng)力損失就可達(dá)到或超過(guò)50%。假設(shè)先按縱向直線配筋方式分析,且直線預(yù)應(yīng)力損失不計(jì),將測(cè)試數(shù)據(jù)等代轉(zhuǎn)換為混凝土的豎向壓應(yīng)力后帶入主拉應(yīng)力公式計(jì)算；全橋有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

表1列出了葉溪河大橋中跨1/4跨附近腹板局部應(yīng)力狀態(tài)分析,其中預(yù)應(yīng)力1：直線預(yù)應(yīng)力+80%有效豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值；預(yù)應(yīng)力2：直線預(yù)應(yīng)力+60%有效豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值；預(yù)應(yīng)力3：直線預(yù)應(yīng)力+30%有效豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值。

表1 1/4跨附近箱梁腹板在不同豎向預(yù)應(yīng)力條件下的主應(yīng)力 MPa

注：τz為沿縱斷面方向的空間剪應(yīng)力；σl為沿縱斷面方向的主拉應(yīng)力。

由表1可以看出：豎向預(yù)應(yīng)力按80%設(shè)計(jì)值計(jì)算時(shí),1/4跨基本為主壓應(yīng)力,沒(méi)有主拉應(yīng)力出現(xiàn)；豎向預(yù)應(yīng)力按60%設(shè)計(jì)值計(jì)算時(shí),1/4跨就開(kāi)始出現(xiàn)拉應(yīng)力；豎向預(yù)應(yīng)力按30%設(shè)計(jì)值計(jì)算時(shí),1/4跨附近主壓應(yīng)力基本全部轉(zhuǎn)換為主拉應(yīng)力,在30號(hào)梁段最大值高達(dá)2.71 MPa。從上述分析及文獻(xiàn)[3]中可知,理論上豎向預(yù)應(yīng)力對(duì)減小主拉應(yīng)力貢獻(xiàn)很大。但是對(duì)于梁高較小,豎向預(yù)應(yīng)力筋較短,當(dāng)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋錨固端稍有施工不當(dāng),或錨固螺栓變形,引起粗鋼筋少量的縮短,就會(huì)造成很大的預(yù)應(yīng)力損失,所以施工結(jié)束后粗短的預(yù)應(yīng)力筋要達(dá)到設(shè)計(jì)值常常很困難,這就造成實(shí)際的豎向預(yù)應(yīng)力很小,施工質(zhì)量較差的結(jié)構(gòu)甚至豎向預(yù)應(yīng)力消失。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多結(jié)構(gòu)實(shí)際豎向預(yù)應(yīng)力不到設(shè)計(jì)值的50%,有些梁高2 m左右箱梁,只有設(shè)計(jì)值的20%～30%[4]。豎向預(yù)應(yīng)力大量損失是很難避免的,這說(shuō)明主要用豎向預(yù)應(yīng)力來(lái)保證斜截面主拉應(yīng)力的方法是不可靠的。

4 采用曲線式配索

葉溪河大橋采用了下彎曲線預(yù)應(yīng)力索和豎向預(yù)應(yīng)力相結(jié)合的配筋方式,為了有足夠的安全儲(chǔ)備,先不考慮豎向預(yù)應(yīng)力的作用,忽略彎曲索使混凝土產(chǎn)生的法向局部拉應(yīng)力,按只配縱向曲線預(yù)應(yīng)力方案分析,有限元配索模型如圖3所示。

圖3 縱向曲線布索模型

4.1 正應(yīng)力分析

施加預(yù)應(yīng)力后,整體截面正應(yīng)力組合值從圖4可以看出：整體截面基本受壓,沒(méi)有受拉區(qū)出現(xiàn),最大值位于邊跨3/4,中跨3/8、5/8左右附近區(qū)域,組合最大壓應(yīng)力為10.3 MPa。

圖4 施加預(yù)應(yīng)力后截面實(shí)際應(yīng)力組合值(單位：kPa)

由于縱向預(yù)應(yīng)力筋較長(zhǎng),除了錨具變形、混凝土收縮徐變等前期損失外,后期預(yù)應(yīng)力損失主要表現(xiàn)為混凝土的收縮徐變,預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛。這兩種預(yù)應(yīng)力損失在后期運(yùn)營(yíng)階段都很小,為了保守起見(jiàn),按遠(yuǎn)期預(yù)應(yīng)力損失20%進(jìn)行截面應(yīng)力分析。從圖5中可以看出組合正應(yīng)力分布規(guī)律基本不變,全梁基本受壓,最大值位于邊跨3/4,中跨3/8、5/8左右附近區(qū)域,組合最大壓應(yīng)力為8.29 MPa。從圖6中可以看出,箱梁上下緣也基本整橋受壓,邊跨支座附近壓應(yīng)力較小,其他部位7.5 MPa左右波動(dòng),故箱梁上下緣也不會(huì)出現(xiàn)豎向裂縫。C50的混凝土抗壓設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)大于實(shí)際應(yīng)力值,所以從正應(yīng)力角度出發(fā),這樣配置預(yù)應(yīng)力筋是非常合理的。

圖5 按遠(yuǎn)期預(yù)應(yīng)力損失20%進(jìn)行截面應(yīng)力組合值(單位：kPa)

圖6 箱梁上下緣正應(yīng)力值

4.2 剪應(yīng)力分析

從圖7中明顯看出，支座處剪應(yīng)力改變不大,但其他截面剪應(yīng)力很小,基本被曲線預(yù)應(yīng)力抵消。按曲線預(yù)應(yīng)力損失20%后的剪應(yīng)力值計(jì)算如圖8所示,從圖8中可以看出,邊跨支座附近剪應(yīng)力變化較大,其他部位剪應(yīng)力變化幅度很小,均在混凝土的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍之內(nèi)。所以除了還需要加強(qiáng)支座應(yīng)力調(diào)整外,只要預(yù)應(yīng)力損失不大,這種曲線預(yù)應(yīng)力配筋方式對(duì)抵消剪應(yīng)力也是有效的。

圖7 實(shí)際截面剪應(yīng)力值(單位：kPa)

圖8 曲線預(yù)應(yīng)力損失20%后的剪應(yīng)力值(單位：kPa)

4.3 斜截面主拉應(yīng)力分析

以上分析可以看出,全橋混凝土基本上是整體受壓,沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)(即σx≤0),剪應(yīng)力除支座外也被抵消到很小范圍內(nèi)。假設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力全部損失(即σy=0),由主拉應(yīng)力公式得

斜截面的主拉應(yīng)力基本被抵消并轉(zhuǎn)化為主壓應(yīng)力,葉溪河大橋即使在豎向預(yù)應(yīng)力有一定損失的情況下也沒(méi)有產(chǎn)生斜裂縫,箱梁下上緣也沒(méi)有豎向彎曲裂縫出現(xiàn),這說(shuō)明采用縱向曲線預(yù)應(yīng)力配筋方式是合理的。

5 分析與結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種配索方式分析可以看出：直線+豎向預(yù)應(yīng)力配索方式,在豎向預(yù)應(yīng)力損失小于50%時(shí),腹板斜截面一般不會(huì)出現(xiàn)主拉應(yīng)力裂縫,此時(shí)這種配索方式總體上優(yōu)于下彎配索方式；但豎向預(yù)應(yīng)力在長(zhǎng)期作用下,預(yù)應(yīng)力損失很難保證在50%以內(nèi),大部分都在5～6年以后突破此損失值,使截面轉(zhuǎn)為主拉應(yīng)力區(qū)而開(kāi)裂。下彎配索方式管道摩阻力大,前期預(yù)應(yīng)力損失較大,但可以通過(guò)適當(dāng)超張拉加以彌補(bǔ),后期預(yù)應(yīng)力損失較小,葉溪河大橋即使按20%預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算,斜截面正截面均基本全橋受壓,從計(jì)算角度不會(huì)出現(xiàn)彎剪裂縫和彎曲裂縫；箱梁頂板底板彎曲索法向混凝土?xí)植渴芾?通過(guò)配置一定的構(gòu)造鋼筋可以彌補(bǔ)這一缺陷[5],從實(shí)際觀測(cè)也沒(méi)發(fā)現(xiàn)橫向彎曲索附近有縱向裂縫,腹板下彎法向受拉完全被縱向壓應(yīng)力抵消,基本可以不考慮。通過(guò)分析計(jì)算，曲線配索式加合理的構(gòu)造鋼筋布置是可以避免長(zhǎng)期服役狀態(tài)下裂縫的出現(xiàn)。

從葉溪河大橋?qū)崪y(cè)分析可以得到以下主要結(jié)論。

(1)在理論上取消下彎索,通過(guò)適當(dāng)調(diào)整頂、底板索和豎向預(yù)應(yīng)力筋,調(diào)整截面σxσy的乘積,采用縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力聯(lián)合抵抗構(gòu)件斜截面主拉應(yīng)力的方式,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)腹板裂縫控制是可行的,不僅減少了鋼材的用量,且施工簡(jiǎn)單。

(2)實(shí)際上用精軋螺紋粗鋼筋做成的豎向預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失較大,且很難控制；由于豎向預(yù)應(yīng)力的有效性不可靠,導(dǎo)致縱向直線預(yù)應(yīng)力抵抗主拉應(yīng)力的效果也大打折扣,結(jié)構(gòu)分析模型與真實(shí)情況差異過(guò)大,實(shí)際結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)主拉應(yīng)力而導(dǎo)致腹板斜裂縫。

(3)采用主要以縱向曲線預(yù)應(yīng)力索來(lái)抵抗斜截面主拉應(yīng)力,以豎向預(yù)應(yīng)力作為安全儲(chǔ)備而不參加計(jì)算的配索方式是保證箱梁在長(zhǎng)期使用狀態(tài)下不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫的最有效方法。

[1] 張文學(xué).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁不同布索方式對(duì)比分析[J].公路交通科技,2009,26(7):81-83.

[2] 浙江省交通廳公路管理局.預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁橋裂縫調(diào)查分析及防治研究報(bào)告[R].杭州:浙江省交通廳公路管理局,2000．

[3] 方 志.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋豎向預(yù)應(yīng)力損失的實(shí)測(cè)與分析[J].土木工程學(xué)報(bào),2009,39(5):79-81．

[4] 鐘新谷.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫防治與研究報(bào)告[R].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2001．

[5] 舒 彬.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫分析與防治[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,21(4):105-107．