馬碧波,周 藝,李光鳳

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

1 設(shè)計(jì)簡介

1.1 天津市靜王立交

天津市靜王立交主線 7#～10#墩主橋上跨津滄高速公路,設(shè)計(jì)荷載:公路 —Ⅰ級(jí)。橋?qū)?15 m,布置跨徑(35+50+35)m,為等截面箱形預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。梁高 2.5 m,為主跨的 1/20,采用單箱三室截面,懸臂長 2 m,腹板中心線間距 3.6 m,頂板厚 25cm,底板厚 20cm,跨中腹板正常段厚度40cm,支點(diǎn)段加厚至 60cm,以提高抗剪能力和滿足雙排鋼束錨固布置需要。主梁采用支架現(xiàn)澆施工,分段施工,分段張拉。設(shè)置施工縫 2道。先施工中跨 50 m和兩邊跨靠近中間支點(diǎn)段 10 m(此處恒載作用下彎矩為零,由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知邊跨彎矩零點(diǎn)距中支點(diǎn)的距離為L/5=10 m,L為主跨跨徑),形成簡支雙懸臂結(jié)構(gòu),張拉腹板鋼束 F 5～F 8并拆除中跨支架以盡量減少交通中斷。然后澆筑兩邊跨剩余混凝土,張拉剩余腹板鋼束 F 1～F 4,F 9～F 12。拆除邊跨支架后張拉中間支點(diǎn)頂板束D1～D 2。主梁采用 C 50混凝土,腹板鋼束采用9j15.24和 12j15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線,O V M15—9,O V M15—12錨具,每個(gè)腹板上橫向布置 2束,縱向采用連接器在施工縫處接長。預(yù)應(yīng)力鋼束采用雙向張拉,張拉控制應(yīng)力0.72fpk。頂板局部短束采用 5j15.24,B M15—5體系。在頂板預(yù)留槽口處張拉,最后完成橋面二期鋪裝。

1.2 抗州至長興高速公路

杭州至長興高速公路主線 177#～181#墩主橋上跨東西大道,設(shè)計(jì)荷載:公路 —Ⅰ級(jí)。單幅橋?qū)?13.25 m,布置跨徑為(27+33.8+31+27)m,為等截面箱形預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。梁高 2.1 m,約為主跨的 1/16,采用單箱雙室截面,懸臂長 1.75m,腹板中心線間距 4.65 m,頂板厚 25c m,底板厚 25cm,跨中腹板正常段厚度 45c m,支點(diǎn)段加厚至 65c m。主梁采用支架整體現(xiàn)澆,一次張拉成橋。雙向張拉,張拉控制應(yīng)力 0.72fpk,不設(shè)施工縫。主梁采用 C 50混凝土,腹板鋼束采用12j15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線,每個(gè)腹板上橫向布置 1束,同時(shí)設(shè)置頂板通長束和局部短束以及底板通長束,均采用12j15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線,O V M15—12錨具。在頂板和底板設(shè)置齒塊,短束錨固于齒塊上,最后完成橋面二期鋪裝。

2 計(jì)算分析

《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》(JTGD 62-2004)采用近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,對(duì)上面兩座連續(xù)梁按正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析和對(duì)比。其中正常使用極限狀態(tài)以結(jié)構(gòu)彈性理論為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算,承載能力極限狀態(tài)以塑性理論為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于正常使用極限狀態(tài)給出短期荷載效應(yīng)組合截面抗裂性計(jì)算結(jié)果 (一般以此項(xiàng)作為應(yīng)力的控制),對(duì)于承載能力極限狀態(tài)給出正截面抗彎承載力的計(jì)算結(jié)果(見圖1～圖 6)。

從圖 1知,靜王立交連續(xù)梁在荷載短期效應(yīng)組合情況下,截面上下緣均處于完全受壓狀態(tài)(沒有出現(xiàn)負(fù)值),上緣最小壓應(yīng)力 0.4 MPa,下緣最小壓應(yīng)力0.3MPa,屬于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。但是由于梁高為主跨的1/20,只配置了腹板鋼束和頂板局部短束給調(diào)束帶來較大的不便,造成整個(gè)梁段應(yīng)力的分布不均勻,個(gè)別截面很難通過(如支點(diǎn)鋼束彎起處)。值得注意的是由截面溫度梯度荷載產(chǎn)生的跨中截面下緣拉應(yīng)力達(dá)到 1.08MPa,而汽車荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力也只有2.23 MPa。當(dāng)然從圖 2、圖 3可以看出結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖比較逼近,此種配束方法比較節(jié)約材料,鋼絞線 22.7 kg/m2,混凝土 0.75m3/m2。此橋的另一配束優(yōu)點(diǎn)是考慮到長預(yù)應(yīng)力鋼束由于多次反彎引起的預(yù)應(yīng)力損失 (這種損失通常很大)。計(jì)算結(jié)果顯示跨中截面鋼束F 5的預(yù)應(yīng)力摩阻損失 σl1=158 MPa,由混凝土徐變引起的跨中主梁上拱值為 4.1mm,中間設(shè)置施工縫。鋼束分段接長,同時(shí)方便了穿束、張拉和壓漿等操作工藝,但橋梁在實(shí)際使用中容易出現(xiàn)施工縫處滲漏水的毛病,這也是其弊病之一。

從圖 4可知杭長高速(27+33.8+31+27)m連續(xù)梁在荷載短期效應(yīng)組合情況下,截面上下緣均處于完全受壓狀態(tài),上緣最小壓應(yīng)力 0.7 MPa,下緣最小壓應(yīng)力 1.9 MPa,屬于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。由于梁高為主跨的 1/16,同時(shí)配置了腹板鋼束、頂板通長束和局部短束、底板通長束使得整個(gè)梁段應(yīng)力的分布比較均勻,截面調(diào)束容易通過,混凝土收縮徐變較小,材料強(qiáng)度得到充分利用。計(jì)算結(jié)果同時(shí)顯示由截面溫度梯度荷載產(chǎn)生的跨中截面下緣拉應(yīng)力達(dá)到 0.98MPa,而汽車荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力也只有 1.13MPa,由混凝土徐變引起的跨中主梁上拱值為 3.5mm?；钶d作用下應(yīng)力變化范圍較小,各個(gè)截面的安全系數(shù)趨于統(tǒng)一。但從圖 5、圖6可以看出內(nèi)力包絡(luò)圖相差較遠(yuǎn),此種配束方法比較耗費(fèi)鋼絞線材料,其用材指標(biāo)為:鋼絞線 25kg/m2,混凝土 0.74m3/m2。特別是跨中截面鋼束 W1的預(yù)應(yīng)力摩阻損失 σl1高達(dá) 433 MPa。另外近 120 m長的連續(xù)梁一次張拉到位也不易控制,尤其是鋼束張拉伸長量與理論計(jì)算值相差較大。齒塊的設(shè)置也是使得錨固構(gòu)造復(fù)雜化。當(dāng)然此法避免了施工縫帶來的后患,使用安全性也比較穩(wěn)定。

圖1 靜王立交短期荷載效應(yīng)組合下截面正應(yīng)力圖

圖2 靜王立交承載能力極限狀態(tài)最小彎矩及抗力

圖3 靜王立交承載能力極限狀態(tài)最大彎矩及抗力

圖4 杭長高速短期荷載效應(yīng)組合下截面正應(yīng)力圖

圖5 杭長高速承載能力極限狀態(tài)最大彎矩及抗力

圖6 杭長高速承載能力極限狀態(tài)最小彎矩及抗力

3 設(shè)計(jì)體會(huì)

對(duì)于常規(guī)的等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,可以根據(jù)跨徑布置情況,采取靈活的配束方式,上面兩座連續(xù)梁互有優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)于采用何種配束方法,除按結(jié)構(gòu)受力計(jì)算確定外,都必須考慮實(shí)際施工和使用階段的要求。(1)為了減少預(yù)應(yīng)力損失,可以采用分段張拉接長的方式, 一次張拉長度不易超過 120 m。(2)考慮到活載偏載引起的約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力影響,將活載橫向分布系數(shù)乘以 1.15來計(jì)算。(3)為了減少連續(xù)梁的次內(nèi)力,鋼束線形可以參考確定活載作用下的吻合束線形。但實(shí)際的設(shè)計(jì)還是應(yīng)該以束界為主作為控制。(4)主梁高度對(duì)鋼束的布置影響很大,腹板的間距和總厚度對(duì)主梁抗剪影響很大,從而決定鋼束的彎起位置,一般在恒載的零彎矩點(diǎn)處,束筋合力重心線應(yīng)靠近該處截面中心線,施工縫也應(yīng)盡量選擇于此處設(shè)置。(5)考慮到剪力滯的影響和橋面板橫向應(yīng)力的限制,腹板的間距不易太大,同時(shí)應(yīng)優(yōu)先布置腹板束,且鋼束應(yīng)盡量靠近腹板布置。(6)新規(guī)范對(duì)溫度應(yīng)力的要求有嚴(yán)格的限制,在引起連續(xù)梁溫度應(yīng)力的諸溫度荷載中,以截面溫度梯度荷載最為不利,其產(chǎn)生的溫度自應(yīng)力和次應(yīng)力應(yīng)給予足夠的重視。

4 結(jié)束語

對(duì)于變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁可以通過調(diào)整支點(diǎn)和跨中的梁高來調(diào)整結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,但對(duì)于等截面連續(xù)梁來說,由于截面剛度沿橋長幾乎不變,所以只能通過調(diào)整鋼束線形來抵抗固定的內(nèi)力。這就要求在設(shè)計(jì)過程中對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行反復(fù)大量的試調(diào)和微調(diào)以達(dá)到設(shè)計(jì)期望的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)抗力。

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].人民交通出版社,2001

[2]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].人民交通出版社,2005

[3]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].人民交出版社,2001