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        不同結(jié)合方式對(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁橋受力的影響

        2022-11-24 03:58:24張龍偉鄒迪升陶仙玲
        城市道橋與防洪 2022年10期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        張龍偉,鄒迪升,陶仙玲,黃 超,胡 瓊

        (1.臺(tái)州市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 臺(tái)州 318000;2.同濟(jì)大學(xué),上海市 200092;3.臺(tái)州高速公路建設(shè)指揮部,浙江 臺(tái)州 317000;4.杭州市市政工程集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310006)

        0 引 言

        鋼混組合梁橋是一種通過剪力連接件將鋼主梁和混凝土橋面板結(jié)合成一體,共同承擔(dān)作用的梁式橋。該種結(jié)構(gòu)形式充分發(fā)揮混凝土和鋼材的材料性能。隨著跨徑逐漸增加,當(dāng)跨越路口和既有線路等中大跨徑橋梁時(shí),連續(xù)鋼混組合梁比混凝土連續(xù)梁具有更優(yōu)秀的跨越能力[1]。由于中支點(diǎn)附近的梁體承擔(dān)負(fù)彎矩,混凝土橋面板處于受拉狀態(tài),鋼梁底板處于受壓狀態(tài),必須重視負(fù)彎矩區(qū)鋼底板失穩(wěn)和橋面板開裂問題。鋼底板可以通過設(shè)置加勁肋,或澆筑底板混凝土等措施避免失穩(wěn)[2],但是橋面板開裂造成結(jié)構(gòu)剛度下降,嚴(yán)重影響橋梁的耐久性能[3]。因此提高負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的抗裂性成為連續(xù)鋼混組合梁橋亟待解決的技術(shù)難題。

        目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)開展了一系列研究,提出了如下改善負(fù)彎矩區(qū)受力狀態(tài)的基本思路。第一類是減少負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板所受到的拉應(yīng)力,典型方法有澆筑底板混凝土法、降低抗剪連接程度法[4]、改變澆筑次序法;第二類是增加負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板內(nèi)的預(yù)壓應(yīng)力儲(chǔ)備,典型方法有調(diào)整支點(diǎn)法、壓重法和張拉預(yù)應(yīng)力法[5];第三類是提高混凝土材料自身的抗裂性能[6],選用抗拉性能更好的纖維混凝土材料。工程實(shí)踐表明,張拉預(yù)應(yīng)力法在中大跨徑連續(xù)組合梁中具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

        張拉預(yù)應(yīng)力法根據(jù)鋼混結(jié)合時(shí)間和預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間的先后順序分成先結(jié)合法和后結(jié)合法。目前應(yīng)用最廣泛的常規(guī)方法是先結(jié)合法,首先將負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板與鋼梁形成組合截面,然后再張拉預(yù)應(yīng)力鋼束,由于組合截面協(xié)同受力,部分預(yù)壓應(yīng)力也同時(shí)傳入鋼梁內(nèi)。對(duì)于跨度較大的組合梁橋,鋼梁截面相對(duì)于組合截面剛度越大,混凝土橋面板獲得的預(yù)壓應(yīng)力比例越低,鋼梁底板越受壓不利。后結(jié)合法是指采用隔離措施保證負(fù)彎矩區(qū)橋面板與鋼梁之間不連接,首先張拉預(yù)應(yīng)力鋼束使得預(yù)壓應(yīng)力全部傳入混凝土橋面板內(nèi),再通過群釘連接件將預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板與鋼梁組合,并承擔(dān)結(jié)構(gòu)的后期受力[7]。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者基于后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法開展了諸多理論研究和模型試驗(yàn)[8],研究表明后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁混凝土預(yù)壓應(yīng)力施加效率高,提高了混凝土橋面板的抗裂性能,具有較好的推廣使用價(jià)值和較大的應(yīng)用發(fā)展空間。

        目前后結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁這種新結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例很少,相關(guān)的研究還不夠充分,為此本文依據(jù)主跨70 m 的預(yù)應(yīng)力組合梁具體工程,選取先結(jié)合組合梁和后結(jié)合組合梁兩種結(jié)構(gòu)形式作對(duì)比分析,計(jì)算分析不同結(jié)合方式對(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁橋受力性能的影響。

        1 后結(jié)合運(yùn)用實(shí)例

        1.1 背景工程介紹

        本文背景工程為浙江省臺(tái)金高速公路東延臺(tái)州市區(qū)連接線工程的45 m+70 m+45 m 連續(xù)槽形鋼-混凝土組合梁橋,構(gòu)造見圖1。為了提高負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板在使用過程中的抗裂性能,本工程采用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法增加橋面板的預(yù)壓應(yīng)力儲(chǔ)備。本橋的曲率半徑為720 m,橫向由4 個(gè)箱室構(gòu)成,主梁邊主跨段的梁高為2.6 m,在中支點(diǎn)變高至3.2 m,混凝土橋面板總寬26 m,厚度為240 mm,在現(xiàn)場(chǎng)分階段澆筑成型。

        圖1 背景工程橋梁構(gòu)造圖(單位:m)

        本工程在正彎矩區(qū)段采用連續(xù)布置焊釘?shù)膫鹘y(tǒng)構(gòu)造形式,只在負(fù)彎矩區(qū)段采用鋼套筒群釘連接件的特殊構(gòu)造形式(見圖2、圖3),用于實(shí)現(xiàn)混凝土橋面板和鋼主梁的完全分離。直徑6 cm 的波紋鋼套筒套在直徑22 mm 的圓柱頭焊釘外作為混凝土澆筑的內(nèi)模,防止負(fù)彎矩混凝土在澆筑過程中和焊釘根部連為一體。套筒群釘為4×5 布局,縱向群釘中心間距1 m,待預(yù)應(yīng)力張拉完畢后,用高強(qiáng)砂漿填充鋼套筒,從而使得混凝土橋面板和鋼梁形成可靠的連接。

        圖2 鋼套筒群釘構(gòu)造

        圖3 負(fù)彎矩區(qū)橋面板

        負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板在滿足計(jì)算和構(gòu)造的條件下,分兩批次張拉預(yù)應(yīng)力鋼束,預(yù)應(yīng)力鋼束的錨固構(gòu)造見圖4。第一批次的預(yù)應(yīng)力鋼束用扁錨錨固在負(fù)彎矩區(qū)橋面板厚度范圍內(nèi),第二批次的預(yù)應(yīng)力鋼束用圓錨錨固在混凝土板下方突出的齒塊上。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制應(yīng)力為1 339 MPa。

        圖4 預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置

        1.2 施工過程介紹

        組合結(jié)構(gòu)橋梁的恒載內(nèi)力與施工過程密切相關(guān),為了降低負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板由恒載產(chǎn)生的拉應(yīng)力,背景工程采用改變澆筑次序法現(xiàn)澆混凝土橋面板,本座后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁的施工過程可分成如下若干道工序,工序示意見圖5。

        圖5 后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋施工過程示意圖

        (1)用鋼管支架搭設(shè)槽型鋼主梁,焊接完成后將鋼主梁一次落架。

        (2)在槽型鋼箱中搭設(shè)正彎矩區(qū)段的橋面板底模,然后澆筑正彎矩區(qū)的橋面板混凝土,以及負(fù)彎矩區(qū)鋼主梁底部的雙結(jié)合混凝土。

        (3)在槽型鋼箱中搭設(shè)負(fù)彎矩區(qū)段的橋面板底模,在鋼筋網(wǎng)中穿預(yù)應(yīng)力鋼束,并用鋼套筒套住群釘中的每個(gè)焊釘,然后澆筑負(fù)彎矩區(qū)的橋面板混凝土。

        (4)分兩批次張拉負(fù)彎矩區(qū)橋面板內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束。

        (5)澆筑鋼套筒內(nèi)的高強(qiáng)砂漿并形成組合結(jié)構(gòu),澆筑張拉端的后澆段橋面板混凝土,形成完整的橋梁結(jié)構(gòu)。

        2 有限元模型

        用ANSYS 建立背景工程的全橋板殼實(shí)體有限元模型,其中混凝土橋面板采用SOLID185 實(shí)體單元,內(nèi)置的鋼筋用實(shí)體單元彌散的加強(qiáng)層模擬;鋼主梁的受力板件采用SHELL181 板殼單元,加勁肋板件用Beam188 梁單元模擬,并約束在相應(yīng)的板殼節(jié)點(diǎn)上;預(yù)應(yīng)力鋼束采用只受軸力的LINK180 桿單元,且每一個(gè)預(yù)應(yīng)力鋼束的節(jié)點(diǎn)都與最近的混凝土節(jié)點(diǎn)自由度耦合,以保證預(yù)應(yīng)力鋼束和相鄰的混凝土變形協(xié)調(diào);焊釘連接件采用COMBIN14 彈簧單元,賦予三個(gè)方向的彈性系數(shù)(kx、ky和kz)以模擬鋼混之間的滑移。有限元模型見圖6,模型的材料特性見表1。

        圖6 背景工程半橋板殼實(shí)體有限元模型示意圖

        表1 材料特性

        3 有限元計(jì)算結(jié)果

        本模型需計(jì)算不同結(jié)合方式的組合梁在張拉預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí),正、負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板和鋼主梁的應(yīng)力變化。對(duì)于后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁,用生死單元鈍化負(fù)彎矩區(qū)的彈簧單元和后澆段的混凝土;對(duì)于先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁,只需鈍化后澆段的混凝土并激活所有彈簧單元,保證負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板和鋼主梁形成可靠的連接。

        3.1 后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法

        圖7 為后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 混凝土橋面板在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖,從中可以看出正彎矩區(qū)混凝土內(nèi)基本沒有應(yīng)力,負(fù)彎矩區(qū)混凝土的最大預(yù)壓應(yīng)力達(dá)到13.5 MPa,中支點(diǎn)附近的平均預(yù)壓應(yīng)力為11.41 MPa?;炷恋念A(yù)壓應(yīng)力在張拉端附近應(yīng)力集中,呈現(xiàn)出橫向從邊護(hù)欄向中軸線遞增的分布規(guī)律,以中支點(diǎn)截面為例,邊護(hù)欄混凝土的預(yù)壓應(yīng)力為10.48 MPa,是中軸線處混凝土的87%。

        圖7 后結(jié)合組合梁橋混凝土板應(yīng)力云圖(1/4 橋,單位:MP a)

        圖8 為后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 鋼主梁在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖,整體鋼主梁產(chǎn)生的應(yīng)力較小,只有負(fù)彎矩區(qū)鋼頂板受摩擦力的作用產(chǎn)生不到6 MPa 的預(yù)壓應(yīng)力,鋼主梁在各個(gè)方向上沒有變形。計(jì)算結(jié)果表明后結(jié)合構(gòu)造能能夠?qū)⑷款A(yù)壓應(yīng)力僅施加到負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板內(nèi),對(duì)橋梁的其他部分的構(gòu)件沒有影響,最大程度的提升了預(yù)應(yīng)力張拉效率,可提高橋面板的抗裂性能。

        圖8 后結(jié)合組合梁橋鋼板應(yīng)力云圖(1/4 橋,單位:MP a)

        3.2 先結(jié)合預(yù)應(yīng)力法

        圖9 為先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 混凝土橋面板在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖,從中可以看出正彎矩區(qū)的混凝土受到了1.1 MPa 的拉應(yīng)力,但是中支點(diǎn)的平均預(yù)壓應(yīng)力只有8.56 MPa,是后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法的75%,負(fù)彎矩區(qū)混凝土的最大預(yù)壓應(yīng)力僅為10.3 MPa。由于橋面板和鋼主梁在張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)已經(jīng)形成了可靠的連接,混凝土內(nèi)的預(yù)壓應(yīng)力通過連接件傳遞到鋼梁頂板,進(jìn)而使得全橋產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力的主次效應(yīng)。

        圖9 先結(jié)合組合梁橋混凝土板應(yīng)力云圖(1/4 橋,單位:MP a)

        圖10 為先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 鋼主梁在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖,鋼主梁出現(xiàn)較大的整體變形,中支點(diǎn)的贅余反力造成邊跨和中跨上拱并承擔(dān)負(fù)彎矩,使得鋼梁頂板受拉底板受壓。從圖中可以看出,鋼梁頂板的最大拉應(yīng)力為63.4 MPa,位于剛度薄弱的后澆段,此處只有鋼梁截面承擔(dān)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的次效應(yīng),主跨跨中雖然也存在相同的效應(yīng),但是由于組合截面剛度較大,鋼梁和混凝土的應(yīng)力相對(duì)較小。中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)的鋼頂板承擔(dān)橋面板傳遞的預(yù)壓應(yīng)力,最大壓應(yīng)力為52.6 MPa,預(yù)壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在中支點(diǎn)截面附近。計(jì)算結(jié)果表明先結(jié)合構(gòu)造將部分預(yù)壓應(yīng)力從負(fù)彎矩區(qū)橋面板傳遞到鋼主梁內(nèi),對(duì)橋梁的其他構(gòu)件產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力主次效應(yīng),比后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法降低了預(yù)應(yīng)力張拉效率。

        圖10 先結(jié)合組合梁橋鋼板應(yīng)力云圖(1/4 橋,單位:MP a)

        3.3 不同結(jié)合方式的受力性能比較

        為了更好的比較不同結(jié)合方式對(duì)預(yù)應(yīng)力組合梁橋空間受力性能的影響,選擇背景工程的邊跨跨中截面、中間支點(diǎn)截面和主跨跨中截面這三個(gè)關(guān)鍵截面作為分析對(duì)象,并提取橋面板混凝土上表面縱向應(yīng)力,應(yīng)力提取點(diǎn)見圖11。圖12 為不同結(jié)合方式組合梁的混凝土表面應(yīng)力橫向分布圖,選取曲線內(nèi)側(cè)的兩個(gè)箱室進(jìn)行分析。從圖中可以看出,在邊跨跨中和中跨跨中截面上,后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁混凝土幾乎沒有應(yīng)力,而先結(jié)合組合梁混凝土產(chǎn)生約0.5~1 MPa的拉應(yīng)力,并且從邊護(hù)欄C1 到中軸線C9 逐漸遞增。對(duì)于中支點(diǎn)處的混凝土截面,兩種結(jié)合方式的橋面板預(yù)壓應(yīng)力呈現(xiàn)出相同的橫向分布規(guī)律,雖然先結(jié)合橋面板的應(yīng)力橫向分布更為均勻,但是獲得的預(yù)壓應(yīng)力顯著低于后結(jié)合橋面板。

        圖11 曲線內(nèi)側(cè)箱室的混凝土應(yīng)力提取點(diǎn)示意圖

        圖12 混凝土表面應(yīng)力橫向分布圖(單位:MP a)

        為了研究中支點(diǎn)預(yù)壓應(yīng)力的縱向分布規(guī)律,選擇橋面板的邊護(hù)欄C1 和中軸線C9,以中支點(diǎn)截面為中心,縱向向兩個(gè)張拉端延伸并提取相應(yīng)位置處的預(yù)壓應(yīng)力,兩種組合梁的混凝土上表面應(yīng)力分布見圖13。從中可以看出,兩種結(jié)合方式的邊護(hù)欄處橋面板獲得的預(yù)壓應(yīng)力縱向呈V 形分布,張拉端兩側(cè)的預(yù)壓應(yīng)力都很小,只有在中支點(diǎn)截面兩側(cè)6 m 之內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。中軸線處橋面板獲得的預(yù)壓應(yīng)力在張拉端出現(xiàn)應(yīng)力集中,在中支點(diǎn)截面兩側(cè)10 m 之內(nèi)均勻分布。

        圖13 負(fù)彎矩區(qū)混凝土表面應(yīng)力縱向分布(單位:MP a)

        表2 給出了關(guān)鍵截面上混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。從表中可以看出,后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁的鋼板應(yīng)力遠(yuǎn)小于先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁,尤其是中支點(diǎn)鋼頂板的應(yīng)力僅為先結(jié)合的6%,其余位置處的鋼板應(yīng)力為先結(jié)合的5%~27%之間,說明后結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)邊主跨梁段的受力性能影響非常小。后結(jié)合中支點(diǎn)處鋼梁頂板的壓應(yīng)力比先結(jié)合減少46.74 MPa,鋼梁底板的拉應(yīng)力比先結(jié)合減少4.84 MPa。先結(jié)合組合梁在張拉預(yù)應(yīng)力時(shí),鋼主梁受力最不利的位置位于后澆段,此處只有純鋼梁截面承擔(dān)預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)。橋面板計(jì)算結(jié)果顯示,后結(jié)合組合梁與先結(jié)合組合梁相比,在中支點(diǎn)截面混凝土頂面壓應(yīng)力前者比后者大2.84 MPa。后結(jié)合預(yù)應(yīng)力橋面板比先結(jié)合獲得更多的預(yù)壓應(yīng)力儲(chǔ)備,預(yù)壓應(yīng)力提升比例為30%,提高了橋面板在正常使用過程的抗裂性能。

        4 結(jié) 語

        本文結(jié)合一具體工程建立組合梁空間板殼實(shí)體有限元模型,模擬不同結(jié)合方式的施工過程,分別計(jì)算不同結(jié)合方式的組合梁在張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)的受力性能,對(duì)比計(jì)算結(jié)果得到如下結(jié)論:

        (1)后結(jié)合的負(fù)彎矩區(qū)橋面板獲得全部的預(yù)壓應(yīng)力,比先結(jié)合多2.84 MPa 的預(yù)壓應(yīng)力儲(chǔ)備,預(yù)壓應(yīng)力提升比例為30%,提高了橋面板在正常使用過程的抗裂性能。

        (2)先結(jié)合的負(fù)彎矩區(qū)鋼主梁承擔(dān)由剪力釘傳遞的預(yù)壓應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的主次效應(yīng)遠(yuǎn)高于后結(jié)合組合梁,其中鋼頂板的壓應(yīng)力比后結(jié)合增加46.74 MPa,鋼底板的拉應(yīng)力比后結(jié)合增加4.84 MPa。

        (3)先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁的主邊跨受預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)出現(xiàn)上拱,鋼梁最大應(yīng)力為63.4 MPa,出現(xiàn)在剛度薄弱的后澆段,而后結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)邊主跨梁段的受力性能基本沒有影響。

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