李斐然，袁　波

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南　鄭州　450052)

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二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力裝配式波形鋼腹板梁橋的研發(fā)

李斐然，袁波

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南鄭州450052)

摘要：推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力梁橋梁端效應(yīng)的計(jì)算公式，針對(duì)以往波形鋼腹板梁橋體外預(yù)應(yīng)力鋼束用量大的問題，結(jié)合波形鋼腹板梁橋梁端效應(yīng)的分析結(jié)果，提出了一種二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的裝配式波形鋼腹板梁橋，并進(jìn)行了3種不同鋼束布置方式的對(duì)比分析。結(jié)果表明：波形鋼腹板梁橋的梁端效應(yīng)小，與二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束工藝相結(jié)合后，降低了原有裝配式波形鋼腹板梁橋的復(fù)雜度和工程造價(jià)，設(shè)計(jì)和施工上的對(duì)比分析結(jié)果顯示底板短束方案優(yōu)勢(shì)較大，是一種適合應(yīng)用在大跨度裝配式梁橋上的結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；裝配式波形鋼腹板；預(yù)應(yīng)力束；二次張拉；梁端效應(yīng)

0引言

波形鋼腹板梁設(shè)計(jì)理論與混凝土梁相似，易于工程師掌握，施工方法與混凝土梁形式相同不需要特殊的施工設(shè)備，結(jié)構(gòu)自重減輕使得架設(shè)方便，腹板采用鋼結(jié)構(gòu)解決了混凝土腹板裂縫問題。湯意[1]等依據(jù)這些特點(diǎn)提出了裝配式波形鋼腹板箱梁橋，實(shí)現(xiàn)了組合結(jié)構(gòu)橋梁的裝配化制作和施工，使得裝配式組合結(jié)構(gòu)橋梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)裝配式混凝土橋梁成為可能，其施工方法為：將波形鋼腹板梁于工廠內(nèi)預(yù)制完成并張拉體內(nèi)束后，運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)澆注濕接縫和橫梁混凝土，形成閉口截面的波形鋼腹板連續(xù)箱梁，待后澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)滿足要求時(shí)，張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼束和支座處頂板負(fù)彎矩束。該種裝配式波形鋼腹板組合梁，由于結(jié)構(gòu)形式和體外束等原因，在實(shí)際應(yīng)用中存在以下缺點(diǎn)：在工廠預(yù)制時(shí)，波形鋼腹板預(yù)制梁體內(nèi)束一次張拉完畢，在混凝土收縮徐變影響下，預(yù)制梁體會(huì)出現(xiàn)較大反拱，影響架設(shè)時(shí)施工控制精度以及成橋后結(jié)構(gòu)工作性能[2]；體外預(yù)應(yīng)力鋼束造價(jià)昂貴、增加了施工工序，錨固上需要采用較厚的橫梁，結(jié)構(gòu)形式上需布設(shè)體外束轉(zhuǎn)向器以及鋼束減震器等附屬設(shè)施，并且后期更換難度大。鑒于以上問題，體外預(yù)應(yīng)力裝配式波形鋼腹板組合梁存在一定的局限性。

圖1　裝配式波形鋼腹板箱梁斷面圖Fig.1　Cross-section of assembled box beam with corrugated steel webs

1預(yù)應(yīng)力梁橋的梁端效應(yīng)

預(yù)應(yīng)力梁橋的梁端效應(yīng)是指預(yù)應(yīng)力梁橋在采用直線預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力的張拉造成梁端局部拉應(yīng)力偏大，比如先張法空心板梁橋通常采用直線形式的配束方式，通常需要設(shè)置預(yù)應(yīng)力失效段，以避免直線配束造成的梁端上部拉應(yīng)力超出混凝土的抗拉應(yīng)力值，引起上部混凝土開裂[3-4]，因此預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋跨徑一般不大于20 m。如果可以采取某種措施或結(jié)構(gòu)形式減少梁端效應(yīng)，則可提高直線底板配束梁橋的跨徑。

圖2　一般梁的斷面形式Fig.2　Cross-section of general beam

圖2所示為一般梁的斷面形式示意圖，預(yù)應(yīng)力N對(duì)截面中性軸產(chǎn)生的彎矩為：

(1)

由形心軸上、下截面的面積矩相等可得：

(2)

全截面的面積為：

A=b1t1+h2t2+h3t3+b4t4。

(3)

整個(gè)截面的慣性矩為：

(4)

針對(duì)矩形截面和波形鋼腹板梁截面，分別進(jìn)行推導(dǎo)：

因此截面上緣應(yīng)力為：

(5)

(6)

對(duì)于實(shí)心板梁，當(dāng)以底板壓應(yīng)力σ2(C50混凝土為16.2 MPa)為控制量時(shí)，頂板拉應(yīng)力σ1=-0.5σ2會(huì)完全超出混凝土的抗拉允許值，所以對(duì)于實(shí)心板梁橋應(yīng)避免在梁端采用直線預(yù)應(yīng)力鋼束。

(2)波形鋼腹板梁橋由于腹板的彎折形成了褶皺效應(yīng)[5]，在抗彎承載力計(jì)算時(shí)可不考慮腹板的作用，相當(dāng)于無腹板截面，因此設(shè)定：

h4=t4/2+h3，

h1=t1/2+h2,

截面上緣應(yīng)力：

(7)

令高厚比n1=h1/t，n4=h4/t，

則截面上緣應(yīng)力：

(8)

截面下緣應(yīng)力：

(9)

一般梁斷面b4≤b1；t≤h1；t≤h4?？傻茫?/p>

(10)

(11)

以30 m跨徑的波形鋼腹板梁為例，若t=0.2 m，h1=0.84 m，h4=1.16 m，此時(shí)σ1≈0，σ2≈2N/A,

(12)

跨徑進(jìn)一步增大時(shí)，n1和n2進(jìn)一步增大，梁端效應(yīng)將更不明顯。

由式(12)可看出，波形鋼腹板不產(chǎn)生抗彎慣性矩，預(yù)應(yīng)力施加在底板上時(shí)，頂板應(yīng)力基本為0，底板應(yīng)力相當(dāng)于預(yù)應(yīng)力直接施加在底板上，該特點(diǎn)使得波形鋼腹板梁在大跨度裝配式梁橋上應(yīng)用底板束具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而不會(huì)出現(xiàn)端部頂板拉應(yīng)力過大的問題，即波形鋼腹板梁能避免常規(guī)混凝土梁橋中梁端效應(yīng)的產(chǎn)生。

2二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力波形鋼腹板梁橋的研發(fā)

目前幾乎所有的波形鋼腹板梁橋均采用了體外預(yù)應(yīng)力鋼束[6-7]，是由于把混凝土腹板改為波形鋼腹板后無法施加預(yù)應(yīng)力腹板鋼束。對(duì)于裝配式波形鋼腹板箱梁橋，由于需要在頂?shù)装鍧窠涌p中施加預(yù)應(yīng)力，使整箱成為預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件，需要在濕接縫澆注完畢后通過體外預(yù)應(yīng)力施加預(yù)應(yīng)力荷載。如果將體外預(yù)應(yīng)力鋼束改為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束，一方面可以避免鋼束更換的問題，另一方面還可以避免使用減震器、轉(zhuǎn)向塊等特殊構(gòu)件，降低施工難度和造價(jià)。

在二次張拉預(yù)應(yīng)力技術(shù)研究方面，Chang-Su Shim[8]在組合梁橋的預(yù)制橋面板中采用二次張拉預(yù)應(yīng)力為支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)域施加預(yù)應(yīng)力；張哲[9]在金馬大橋設(shè)計(jì)中提出了一種后穿長(zhǎng)束的先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)形式；劉端陽[10]對(duì)后穿長(zhǎng)束和短束的受力性能進(jìn)行了對(duì)比研究；邵旭東[11]將預(yù)應(yīng)力芯棒的概念進(jìn)行了延伸，部分梁體先行預(yù)制和預(yù)壓，然后現(xiàn)澆梁體剩余部分，形成裝配—整體式橋梁結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)形式需要分兩次澆注混凝土，增加了施工工序，新舊混凝土之間存在溫度、收縮徐變[12]等效應(yīng)的耦合，不易于設(shè)計(jì)控制。這些研究主要是針對(duì)于支點(diǎn)負(fù)彎矩施加的二次張拉預(yù)應(yīng)力，或者通過預(yù)應(yīng)力疊合結(jié)構(gòu)消除端部效應(yīng)，實(shí)質(zhì)上仍屬于傳統(tǒng)先張法預(yù)制梁橋和先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工工藝，這些方法對(duì)混凝土橋梁和常規(guī)組合結(jié)構(gòu)橋梁在底板上施加二次預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)仍會(huì)導(dǎo)致梁端拉應(yīng)力偏大。

結(jié)合大跨徑波形鋼腹板梁橋梁端效應(yīng)不明顯的特點(diǎn)和二次張拉體內(nèi)底板預(yù)應(yīng)力鋼束方案，研發(fā)的新型裝配式波形鋼腹板梁橋增加了預(yù)制梁底板內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量，取消了原有橋梁結(jié)構(gòu)中的體外束，將體內(nèi)底板預(yù)應(yīng)力鋼束分二階段張拉，有3種二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束布置方案可供采用(如圖3所示)，分別為底板短束方案、底板交叉束方案、底板通長(zhǎng)束方案。圖4所示為一次鋼束和二次鋼束梁體橫斷面上的位置。

圖3　三種二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束方案Fig.3　Three schemes of twice tensioning internal prestressed tendons

圖4　二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束梁斷面圖Fig.4　Cross-section of twice tensioned internal prestressed tendons beam

對(duì)于底板短束設(shè)計(jì)方案，施工時(shí)在工廠預(yù)制波形鋼腹板梁，并將二期張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束直接穿在預(yù)制梁體里面；將預(yù)制梁安裝在橋墩或橋臺(tái)上后，綁扎或者焊接預(yù)制梁的橫向連接鋼筋，澆注梁體間的濕接縫，使主梁形成封閉的箱形斷面；待濕接縫混凝土強(qiáng)度滿足要求后，張拉二次底板預(yù)應(yīng)力鋼束，完成二次預(yù)應(yīng)力鋼束的施工。而對(duì)于另外兩種施工方案，在預(yù)制梁時(shí)不能提前將鋼束放在預(yù)制梁體內(nèi)，需將預(yù)制梁安裝在橋墩或橋臺(tái)上后，綁扎或者焊接預(yù)制梁的橫向連接鋼筋，安裝預(yù)應(yīng)力鋼束，然后澆注梁體之間的濕接縫，使主梁形成封閉的箱形斷面；待濕接縫混凝土強(qiáng)度滿足要求后，張拉二次底板預(yù)應(yīng)力鋼束，完成二次預(yù)應(yīng)力鋼束的施工。3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。結(jié)合各項(xiàng)指標(biāo)可以看到，底板短束設(shè)計(jì)方案在施工上對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束要求較低，不需要后期穿鋼束，優(yōu)勢(shì)相對(duì)較大。

表1　二次張拉鋼束設(shè)計(jì)方案比較

3二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力波形鋼腹板梁橋的試設(shè)計(jì)

某橋梁寬度16.5 m，橋面凈寬2×15.75 m，中央分隔帶寬2 m，上部結(jié)構(gòu)為50 m裝配式波形鋼腹板梁，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩，摩擦樁基礎(chǔ)。分別按圖3所示的3種方案設(shè)計(jì)為50 m二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力裝配式波形鋼腹板梁，施工上均采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工工藝，二次預(yù)應(yīng)力鋼束均采用19根截面面積為140 mm2的φS15.2的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，圖5所示為試設(shè)計(jì)采用的裝配式波形鋼腹板梁斷面。

圖5　試設(shè)計(jì)用波形鋼腹板梁斷面尺寸(單位:cm)Fig.5　Cross-sectional dimensions of beam with corrugated steel webs foe trial design(unit:cm)

3種方案的主要計(jì)算結(jié)果比較見表2。從表2可以看出，3種方案的計(jì)算結(jié)果差別不明顯。對(duì)于跨中，預(yù)制部分短期效應(yīng)組合下僅底板短鋼束方案不出現(xiàn)拉應(yīng)力，其他兩個(gè)方案均有一定的拉應(yīng)力，這是由于短束方案對(duì)底板壓應(yīng)力最有效；對(duì)于支點(diǎn)，預(yù)制部分短期效應(yīng)組合下底板短束方案拉應(yīng)力最大，但滿足規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件的要求，這是由于短束方案支點(diǎn)預(yù)應(yīng)力通過束偏少。對(duì)于跨中，現(xiàn)澆部分在短期效應(yīng)組合下3種方案跨中均有拉應(yīng)力，但均可滿足規(guī)范對(duì)A類構(gòu)件的要求；對(duì)于支點(diǎn)，現(xiàn)澆部分在短期效應(yīng)組合下3種方案應(yīng)力狀態(tài)均良好，僅有底板交叉束方案相對(duì)較差，這是由于二次預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置偏下，造成頂板易開裂。長(zhǎng)期效應(yīng)組合下，交叉鋼束方案與通長(zhǎng)鋼束方案在一定程度上不滿足要求，需要增加預(yù)應(yīng)力鋼束型號(hào)，會(huì)造成鋼束偏大的問題。

表2　3種方案的主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比

注：(1)應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)；(2)A為底板短束方案，B為底板交叉束方案，C為底板通長(zhǎng)束方案。

預(yù)應(yīng)力和混凝土的材料用量比較見表3，從表3可以看出，3種方案材料指標(biāo)整體差別不大，但底板短束方案由于減少了橫梁混凝土的用量，其混凝土指標(biāo)最低；交叉束方案對(duì)支點(diǎn)位置的應(yīng)力狀況改善較好，減少了支點(diǎn)負(fù)彎矩的用量，其預(yù)應(yīng)力指標(biāo)最低；通長(zhǎng)束方案各項(xiàng)指標(biāo)基本均衡。

表3　3種方案的的材料用量比較

結(jié)合施工上的便捷性、理論分析結(jié)果和混凝土用量指標(biāo)3個(gè)方面，可認(rèn)為底板短束方案效果最佳，適合在工程中應(yīng)用。

4結(jié)論

本文推導(dǎo)了波形鋼腹板梁的預(yù)應(yīng)力張拉梁端效應(yīng)計(jì)算公式，提出了一種二次張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的裝配式波形鋼腹板梁，并進(jìn)行了不同鋼束布置方案下的比較，所得主要結(jié)論如下：

(1)實(shí)心板梁橋的預(yù)應(yīng)力梁端效應(yīng)明顯，而波形鋼腹板梁由于腹板的褶皺效應(yīng)，使得預(yù)應(yīng)力底板鋼束的梁端效應(yīng)很小，并且隨著跨徑的增大這種效應(yīng)越來越微弱；

(2)二次張拉體內(nèi)底板預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)方案與波形鋼腹板梁橋相結(jié)合能夠取消波形鋼腹板梁橋中常采用的體外預(yù)應(yīng)力鋼束，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)中所含構(gòu)件，減小施工復(fù)雜度和工程造價(jià)；

(3)多種形式的底板鋼束方案對(duì)于先簡(jiǎn)支后連續(xù)的裝配式波形鋼腹板梁橋方案都是可行的，但底板短鋼束設(shè)計(jì)方案與常規(guī)混凝土梁橋的施工順序相同，并且各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均能較好地符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，適合作為推薦預(yù)應(yīng)力布置形式。

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收稿日期：2015-09-28

基金項(xiàng)目：河南省交通科技重點(diǎn)項(xiàng)目 (2011PⅡ07)

作者簡(jiǎn)介：李斐然(1983-)，男，河南禹州人，高級(jí)工程師，工學(xué)博士.(lifeiran@sina.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.013

中圖分類號(hào)：U448.21+8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)07-0086-05

Development of Assembled Corrugated-steel-web Beam Bridge with Twice Tensioning Internal Prestress

LI Fei-ran, YUAN Bo

(Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou Henan 450052, China)

Abstract：The calculation formula of beam-end effect of prestressed concrete beam bridges is derived. Focusing on the problem of large usage amount of external tendons for conventional corrugated-steel-web beam bridge, combining with the analysis results of the beam-end effect of the corrugated-steel-web beam bridge, a new kind of assembled corrugated-steel-web beam bridge with twice tensioning internal prestress is put forward, and 3 ways of tendon arrangement are compared and analyzed. The result shows that (1) the beam-end effects are less significant for beam bridges; (2) after combining with the twice tensioning internal prestressed tendon technique, the complexity and project cost of the original corrugated-steel-web beam bridge are reduced. Comparison analysis result of design and construction shows that the scheme of bottom slab with short tendons has greater advantage, which is a proper structure type for long span assembled beam bridges.

Key words：bridge engineering; assembled corrugated steel web; prestressed tendon; twice tension;beam-end effect