趙興宏，蔣逢煒，薛軍彥

(1.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 北京市 100089； 2.鄉(xiāng)寧縣交通運(yùn)輸局 臨汾市 042100)

0 引言

背景橋?yàn)殡p塔三跨單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋，跨徑組合為106m+200m+106m，橫橋向布置為1.5m人行道+0.5m防撞護(hù)欄+11.0m機(jī)動車道+0.5m防撞護(hù)欄+2.5m中央分隔帶+0.5m防撞護(hù)欄+11.0m機(jī)動車道+2.5m防撞護(hù)欄，橋梁全寬29.5m。主梁截面為單箱三室截面，主梁根部梁高度6.7m，跨中梁高3.2m，主梁高度在雙薄壁墩起的82m范圍內(nèi)按1.8次拋物線變化。箱梁頂寬29.5m，底寬17.5m；懸臂板長6m，兩側(cè)設(shè)3.6m后澆帶；外腹板和中間腹板采用直腹板，厚度50～110cm；頂板厚度邊箱室30～65cm，中間箱室45～80cm；底板厚30～110cm；邊箱室凈寬5.6～6.5m，中間箱室凈寬1.9～2.5m，斜拉索錨固點(diǎn)布置在箱梁中室內(nèi)。主梁采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向預(yù)應(yīng)力采用15-3、15-15、15-19、15-22鋼絞線，橫向預(yù)應(yīng)力采用15-4、15-12鋼絞線，分別布置在頂?shù)装搴蜋M隔梁內(nèi)，豎向預(yù)應(yīng)力采用Φ16-3無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，布置在腹板內(nèi)。

斜拉索采用單索面，以雙排形式布設(shè)在中央分隔帶上，單個塔上布設(shè)28對56根斜拉索，全橋共計(jì)56對112根。主梁縱橋向斜拉索標(biāo)準(zhǔn)間距4m，橫橋向雙排間距1.0m，主塔豎橋向間距1.0m。斜拉索在主塔上采用鞍座支承式。

主塔為矩形截面獨(dú)柱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在中央分隔帶位置處，采用主梁固結(jié)形式。主塔塔柱截面順橋向長5.6m，橫橋向?qū)?.5m，四角設(shè)R=0.3m圓角。該部分斜拉橋拉索在梁上的錨固位置位于箱梁中室橫隔板處，通過在中室頂板底面設(shè)置拉索錨塊來分散拉索索力。由于斜拉索為單索面，拉索索力在主梁錨固位置更為集中。同時，索梁錨固位置處受三向預(yù)應(yīng)力及拉索索力，拉索索力通過索梁錨固塊傳遞到與之相鄰的頂板及橫隔梁上。所以，索梁錨固區(qū)梁段橫隔梁應(yīng)力分布比無索區(qū)梁段橫隔梁更為復(fù)雜，同時考慮索力較大，受力薄弱的部位往往發(fā)生在拉索區(qū)橫隔梁。該橋豎向預(yù)應(yīng)力創(chuàng)新性地使用了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒代替了常用的預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼。綜合以上因素，為準(zhǔn)確掌握拉索區(qū)橫隔梁的受力特性，有必要建立索梁錨固區(qū)梁段的實(shí)體分析模型，根據(jù)橫隔梁空間應(yīng)力分布狀態(tài)，優(yōu)化橫隔梁橫向鋼束設(shè)計(jì)工作。主橋立面圖如圖1所示。

圖1 主橋立面圖(單位:cm)

1 拉索區(qū)主梁及橫隔梁截面構(gòu)造

拉索區(qū)主梁為單箱三室結(jié)構(gòu)，腹板為直腹板，梁高3.2～4.74m，箱室頂、底板厚30cm，邊、中腹板厚50cm。邊室橫隔板厚35cm，中室橫隔板厚50cm，主梁及橫隔梁均采用C55混凝土。主梁截面構(gòu)造及橫隔梁截面構(gòu)造如圖2、圖3所示。

圖2 主梁截面構(gòu)造(單位：cm)

圖3 橫隔梁截面構(gòu)造(單位：cm)

2 建立實(shí)體有限元分析模型

2.1 選取分析梁段

拉索區(qū)主梁截面為漸變截面，靠近邊墩截面尺寸逐漸減小，拉索S13和S14所處的梁段為等截面，同時斜拉索索力逐漸增大。通過有限元軟件Midas/Civil全橋桿系模型分析得知，邊跨S14號斜拉索索力最大。因此，在拉索區(qū)橫隔梁局部空間應(yīng)力分析中，縱向梁段選取斜拉索S12～S14范圍內(nèi)和相鄰S14的一個無索區(qū)梁段，共4個主梁節(jié)段。由于單索面拉索在中箱室錨固，考慮建立橫向全截面模型。

2.2 荷載及邊界條件

分析拉索區(qū)橫隔梁空間應(yīng)力分布特點(diǎn)時，選取最不利荷載組合效應(yīng)下的內(nèi)力值作為外荷載進(jìn)行加載。建立局部模型中，主梁自由端截面荷載選取成橋狀態(tài)下最不利頻遇組合下的內(nèi)力，內(nèi)力取為全截面內(nèi)力，其值見表1；最不利頻遇組合下的斜拉索S12～S14索力值分別取為：T12=4912kN，T13=5020kN，T14=5138kN，按均布面荷載施加于索梁錨固塊錨墊板。

表1 主梁截面內(nèi)力值

注：表中內(nèi)力值為midas civil分析模型梁單元坐標(biāo)系下的方向

邊界條件方面，將實(shí)體分析模型中靠近橋塔一側(cè)的主梁截面固結(jié)，靠近過渡墩的一側(cè)自由，在截面形心加載彎矩、剪力及軸力。荷載及邊界條件如圖4所示。

圖4 拉索區(qū)梁段局部加載及邊界條件示意圖

2.3 模型劃分

利用Midas/FEA分析軟件建立拉索區(qū)梁段空間有限元實(shí)體分析模型，按20cm單元尺寸對實(shí)體模型進(jìn)行劃分，共劃分為326726個單元，81111個節(jié)點(diǎn)。分析模型梁段預(yù)應(yīng)力鋼束布置為：頂板布置49根橫向鋼束，橫隔梁布置9根橫向鋼束(每道橫隔梁布置3束)，頂板布置40根縱向鋼束，底板布置16根縱向鋼束，底板布置272根豎向鋼束，共386根鋼束，鋼束采用鋼筋梁單元模擬，并分別劃分網(wǎng)格?；炷磷灾?6kN/m3，橋面二期恒載為4.895kN/m2，預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)力0.75fpk=1395MPa。拉索區(qū)梁段結(jié)構(gòu)離散模型及鋼束模型分別如圖5、圖6所示。

圖5 拉索區(qū)梁段結(jié)構(gòu)離散圖

圖6 梁段鋼束模型圖

3 橫隔梁空間應(yīng)力分析

首先在自由端的質(zhì)心節(jié)點(diǎn)與截面節(jié)點(diǎn)之間建立剛性連接，將表1中的內(nèi)力作為外荷載施加在質(zhì)心節(jié)點(diǎn)上，模型中注意Midas/Civil與Midas/FEA坐標(biāo)系之間的差異。在應(yīng)力云圖分析結(jié)果中，規(guī)定拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。橫隔梁空間應(yīng)力分析考慮三個工況，分別為：豎向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒+橫隔梁未配置橫向鋼束(工況一)、豎向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒+橫隔梁配置橫向鋼束(工況二)，豎向預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼+橫隔梁配置橫向鋼束(工況三)。通過對此三種工況下橫隔梁的受力特性進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證橫隔梁橫向鋼束配置及豎向預(yù)應(yīng)力鋼棒代替預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼的合理性及有效性。橫隔梁橫向鋼束布置如圖4所示。

3.1 工況一 豎向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒+橫隔梁未配置橫向鋼束

考慮模型兩端受邊界影響的誤差，只展示中間兩段梁段的應(yīng)力圖。橫隔梁空間應(yīng)力分布如圖7～圖9所示。由圖7可見，中箱室處與拉索錨固的位置橫橋向拉應(yīng)力很大，最大值達(dá)到14.3MPa，同時橫隔梁拉應(yīng)力在0～6.53MPa間；由圖8可見，橫隔梁與箱梁頂?shù)装逑嘟犹庁Q向拉應(yīng)力較大，局部范圍達(dá)約5.5MPa；由圖9可見，橫隔梁主拉應(yīng)力在0～8.25MPa間，且0～5.75MPa之間的占比較大。

圖7 橫隔梁橫橋向應(yīng)力云圖

圖8 橫隔梁豎橋向應(yīng)力云圖

圖9 橫隔梁豎橋向主拉應(yīng)力云圖

3.2 工況二 豎向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒+橫隔梁配置橫向鋼束

針對工況一橫隔梁空間應(yīng)力分布情況，在橫隔梁中配置了橫向鋼束，配置后的橫隔梁空間應(yīng)力分布情況如圖10～圖12所示。由圖10可見，同工況一對比，橫隔梁橫橋向受力有較大改善，基本處于受壓狀態(tài)，大部分區(qū)域處在-0.59～-4.66MPa壓應(yīng)力范圍內(nèi)；同時由圖11可見，橫隔梁與底板連接處的最大豎向拉應(yīng)力由工況一情況下的2.4MPa降低到1.0MPa左右；由圖12可見，橫隔梁最大主拉應(yīng)力由工況一的7.0MPa降低到0.81MPa左右，但人洞處出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

圖10 橫隔梁橫橋向應(yīng)力云圖

圖11 橫隔梁豎橋向應(yīng)力云圖

圖12 橫隔梁豎橋向主拉應(yīng)力云圖

3.3 工況三 豎向預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼+橫隔梁配置橫向鋼束

部分斜拉橋主梁通常采用短距離直線的豎向預(yù)應(yīng)力鋼束體系，傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力材料主要有精軋螺紋鋼筋和預(yù)應(yīng)鋼絞線兩種類型，目前采用精軋螺紋鋼筋的較常見。但是，通過對一些在役橋梁調(diào)研，發(fā)現(xiàn)采用豎向精軋螺紋鋼時，豎向預(yù)應(yīng)力不足或缺失的情況普遍存在。

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，是一種介于預(yù)應(yīng)力鋼絞線和精軋螺紋鋼筋之間的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)品。在國外有較早且較多的實(shí)例應(yīng)用，我國在20世紀(jì)80年代末開始引進(jìn)，經(jīng)過這些年的實(shí)踐，形成了推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒》(GB/T 5223.3-2005)，較大地改進(jìn)了預(yù)應(yīng)力材料及施工工藝。結(jié)合無粘結(jié)鋼棒與精軋螺紋鋼對比計(jì)算，開展預(yù)應(yīng)力鋼棒在部分斜拉橋腹板豎向預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用研究，具有重要的工程應(yīng)用價值。

針對工況二橫隔梁空間應(yīng)力分布情況，對腹板豎向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行替換，用精軋螺紋鋼筋替換無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒。采用精軋螺紋鋼作為豎向預(yù)應(yīng)力的橫隔梁空間應(yīng)力分布圖如圖13～圖15所示。由圖13可見，同工況二對比，橫隔梁橫橋向、豎向及最大主拉應(yīng)力幾乎完全一致，可見，一組三根的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒效果與一組兩根的精軋螺紋鋼筋產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)是一致的。

圖13 橫隔梁橫橋向應(yīng)力云圖

圖14 橫隔梁豎橋向應(yīng)力云圖

圖15 橫隔梁豎橋向主拉應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

(1)在最不利荷載組合下，拉索區(qū)橫隔梁未配置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束時，中箱室與邊箱室橫隔梁橫橋向應(yīng)力及主拉應(yīng)力很大。

(1)在最不利荷載作用下，拉索區(qū)橫隔梁配置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束后，中箱室與邊箱室橫隔梁橫橋向處于受壓狀態(tài)，最大主拉應(yīng)力情況有較大改善，降低至0.81MPa左右，且僅在橫隔梁與底板內(nèi)側(cè)相接部位分布，可通過構(gòu)造上設(shè)置倒角或者加強(qiáng)尺寸的配筋解決；人洞出現(xiàn)了拉應(yīng)力，建議加強(qiáng)此處的鋼筋配置。

(3)相對預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋，部分斜拉橋采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒作為主梁腹板豎向預(yù)應(yīng)力，應(yīng)力松弛所造成的預(yù)應(yīng)力損失較小。同時具備施工工序簡單、施工精度較高宜控制等優(yōu)點(diǎn)。