楊建奎

(北京市市政專業(yè)設(shè)計(jì)院股份公司，山西分公司 030000)

雙向預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋頂板縱向抗裂分析

楊建奎

(北京市市政專業(yè)設(shè)計(jì)院股份公司，山西分公司 030000)

本文以南京秦淮河特大橋主橋?yàn)槔脴蛄翰┦恳约癆NSYS10.0分別計(jì)算合攏段跨中截面頂板底緣在各種作用下的縱、橫向應(yīng)力，然后根據(jù)《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》和Kupfer&Gerstle準(zhǔn)則、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的簡(jiǎn)化判別準(zhǔn)則分別進(jìn)行抗裂驗(yàn)算。從理論上指出了采用雙向或三向預(yù)應(yīng)力的箱梁橋并不適合采用現(xiàn)行《橋規(guī)》中的最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則。

目前，我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范《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》（JTG 62-2004）基于最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，按照第一主拉應(yīng)力進(jìn)行混凝土抗裂驗(yàn)算。實(shí)際上，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋一般在頂板同時(shí)施加了較大的縱向、橫向壓應(yīng)力，甚至在施工過程中張拉橫向預(yù)應(yīng)力束會(huì)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，使構(gòu)件處于三向應(yīng)力狀態(tài)。因此對(duì)于此類橋梁，規(guī)范并不適用。

1.研究對(duì)象

選取南京秦淮河特大橋主橋?yàn)樗憷?，采用C50混凝土。該橋?yàn)?4m+112m+64m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋，為上下行分離的雙幅橋，每幅寬16.75m。上部結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力體系。主梁采用單箱單室截面，墩頂梁高6.384m，跨中梁高2.584m，沿跨徑方向按1.5次拋物線變化，變化長(zhǎng)度53.5m；底板厚跨中0.32m、主墩頂1m，變化方式和梁高變化方式相同。主墩頂在箱梁內(nèi)設(shè)2m寬橫隔梁。腹板1～7號(hào)塊寬度80cm，9～16號(hào)塊寬度60cm，腹板寬度漸變?cè)?號(hào)塊內(nèi)完成，其余參數(shù)見圖1。

圖1 箱梁橫截面尺寸

2.合攏段頂板應(yīng)力計(jì)算

首先，采用橋梁博士V3.0計(jì)算在縱向預(yù)應(yīng)力束、自重和二期恒載、車道荷載和溫度荷載四種工況下的縱向壓應(yīng)力。模型如圖2所示。計(jì)算所得合攏段跨中截面頂板的縱向壓應(yīng)力為5.4MPa。

圖2 全橋結(jié)構(gòu)三維模型及工作鋼束圖

其次，采用ANSYS10.0進(jìn)行橫向應(yīng)力計(jì)算。對(duì)合攏段及相鄰5個(gè)節(jié)段（11#～16#塊，其中16#塊為合攏段）建立三維實(shí)體有限元模型，如圖3所示，箱梁混凝土采用Solid45單元，橫向預(yù)應(yīng)力束選用Link8單元，采用實(shí)體力筋法（節(jié)點(diǎn)耦合法）模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。對(duì)左斷面的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行UX、UY、UZ三個(gè)自由度的約束，對(duì)右斷面所有節(jié)點(diǎn)的的UX、UY進(jìn)行約束。分別計(jì)算在橫向預(yù)應(yīng)力束、梁體自重和二期恒載、溫度梯度和車輛活載四種工況下的應(yīng)力分布，并提取中跨合攏段頂板底緣的橫向應(yīng)力，結(jié)果見表1。

圖3 梁段實(shí)體模型

表1 跨中截面應(yīng)力匯總（單位∶MPa）

3.不同準(zhǔn)則下的頂板安全性預(yù)測(cè)

1）根據(jù)Kupfer & Gerstle準(zhǔn)則[3]

將計(jì)算得到的頂板底緣的縱向壓應(yīng)力值、橫向最大拉應(yīng)力值以及混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值帶入Kupfer & Gerstle準(zhǔn)則，有：

雙向應(yīng)力下的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

由此可見，頂板的橫向拉應(yīng)力計(jì)算值大于按Kupfer & Gerstle準(zhǔn)則而得的抗拉強(qiáng)度，因而按此準(zhǔn)則可以預(yù)測(cè)頂板將開裂。

2）按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式預(yù)測(cè)頂板安全性[1]

頂板橫向拉應(yīng)力的計(jì)算值大于按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式而得的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值，合攏段跨中截面頂板底緣中部位置出現(xiàn)開裂的概率較大。

3）按照橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范推薦準(zhǔn)則預(yù)測(cè)頂板安全性[2]

三維有限元計(jì)算得到的跨中截面頂板底緣中間點(diǎn)的最大橫向拉應(yīng)力為2.58MPa，C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值分別為2.65MPa與1.83MPa。此處出現(xiàn)縱向開裂的概率沒有按Kupfer & Gerstle準(zhǔn)則和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式進(jìn)行預(yù)測(cè)出現(xiàn)的概率大。

4.結(jié)論

該橋在現(xiàn)行《橋規(guī)》開裂判別準(zhǔn)則下處于一定的安全范圍，但在Kupfer & Gerstle準(zhǔn)則和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式判別準(zhǔn)則下則是極不安全的，出現(xiàn)開裂的概率非常大。因此，現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范采用的抗裂設(shè)計(jì)理論并不適用于雙向預(yù)應(yīng)力箱梁橋，而應(yīng)選用更符合其受力特點(diǎn)的雙軸應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB 50010-2010)[S].北京∶中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]中華人民共和國(guó)交通部.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(JTG D62-2004)[S].北京∶人民交通出版社,2004.

[3]過鎮(zhèn)海.混凝土的強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系-原理與應(yīng)用[M].北京∶中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2004.

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