萬(wàn)　麟　陳冠樺

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081)

大跨單箱單室預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)探討

萬(wàn)麟陳冠樺

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081)

摘要蘭海高速貴州境遵義至貴陽(yáng)段擴(kuò)容工程中的連續(xù)剛構(gòu)，單幅橋梁寬度16.5～16.75 m，采用寬箱大懸臂形式的單箱單室斷面，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)的結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)應(yīng)力設(shè)置已不能滿足結(jié)構(gòu)受力要求，應(yīng)從梁高、腹板寬度、頂板厚度、預(yù)應(yīng)力鋼束布置、跨中撓度控制等方面做一些調(diào)整。文中從設(shè)計(jì)構(gòu)造及計(jì)算方面對(duì)該類型的預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞連續(xù)剛構(gòu)大跨寬橋單箱單室箱梁

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，早期建成的高速公路越來(lái)越不能滿足日益增長(zhǎng)的交通量需要，現(xiàn)在高速公路建設(shè)均朝著多車道、設(shè)計(jì)車速較高的方向發(fā)展。連續(xù)剛構(gòu)為山區(qū)公路經(jīng)常采用的一種結(jié)構(gòu)形式，其重要性在山區(qū)公路中非常突出。蘭海國(guó)家高速公路遵義至貴陽(yáng)段擴(kuò)容工程位于貴州省遵義市和貴陽(yáng)市境內(nèi)，是國(guó)家高速公路網(wǎng)的組成部分，是西南出海大通道的重要組成部分，路線全長(zhǎng)101.193 km，按雙向6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度v=100 km/h，路基寬度33.5 m。本路線共有連續(xù)剛構(gòu)橋梁4座，分別為主跨180 m的銀廠河特大橋、主跨200 m的長(zhǎng)灘河特大橋和新田坡特大橋、主跨為160 m的柿花寨特大橋。橋梁上部箱梁均采用單箱單室的掛籃懸澆箱梁斷面形式，箱寬為16.5～16.75 m。目前這種寬度的連續(xù)剛構(gòu)公路橋梁不是很多，按常規(guī)結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)應(yīng)力布置已不能滿足規(guī)范要求，本文選取具有一般連續(xù)剛構(gòu)橋梁特點(diǎn)的銀廠河特大橋?yàn)槔?，從設(shè)計(jì)方面對(duì)寬幅單箱單室預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)做一些探討[1]。

2.2外荷載與裂縫發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)系

結(jié)構(gòu)裂縫一直是工程界關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題，預(yù)應(yīng)力混凝土梁開裂后，由于裂縫的存在，中性軸會(huì)發(fā)生移動(dòng)，開裂區(qū)截面彎曲剛度減小，從而造成截面應(yīng)力的重分布，可能導(dǎo)致控制界面的轉(zhuǎn)移，所以開裂損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響分析是及其復(fù)雜的。梁體開裂荷載為850 kN，首先在梁體跨中出現(xiàn)垂直裂縫；隨著荷載的增加，陸續(xù)出現(xiàn)多條處置裂縫，而且分布均勻，隨著荷載的增加，開始出現(xiàn)斜裂縫，而且由跨中向加載點(diǎn)附近擴(kuò)散，并且，裂縫的擴(kuò)散趨勢(shì)不斷向著梁頂發(fā)展，2 900 kN時(shí)裂縫貫穿，梁體破壞。

3　結(jié)語(yǔ)

(1) 采用非線性有限元理論研究了單調(diào)加載方式下有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁的受力性能，模型在考慮材料、幾何非線性的前提下能夠深入揭示混凝土和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)力變化，應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了模型中采用的單元類型、材料本構(gòu)和破壞準(zhǔn)則的可行性和合理性，也進(jìn)一步明確了預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的力學(xué)性能和工作機(jī)理，為理論分析提供了參考依據(jù)。

(2) 由于ANSYS單元特性的局限，不能對(duì)裂縫的發(fā)展有一個(gè)精確的模擬，只能預(yù)測(cè)裂縫的發(fā)展趨勢(shì)。

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1　橋梁布置及構(gòu)造

銀廠河特大橋?yàn)橘F州境遵義至貴陽(yáng)段擴(kuò)容工程第5合同一座特大橋，主橋?yàn)?6 m+180 m+96 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，最大墩高90 m，單幅橋梁寬度16.5 m。見圖1。

圖1　主橋橋型布置圖(單位：cm)

1.1主橋上部箱梁結(jié)構(gòu)

上部箱梁為變截面單箱單室斷面，箱頂寬16.5 m，底寬8 m，箱梁頂面設(shè)單向2.0%的橫坡，材料為C55混凝土。

(1) 箱梁高度。0號(hào)梁段梁高為11.6 m，現(xiàn)澆段和合龍段梁高均為4.2 m，其間梁底下緣曲線按1.8次方拋物線變化。

(2) 箱梁截面頂板跨中厚度。0號(hào)梁段為60 cm，1號(hào)梁段由120 cm漸變?yōu)?6 cm，2號(hào)～20號(hào)段梁段為46 cm(見圖2)，邊跨合龍梁段及現(xiàn)澆段由46 cm直線漸變?yōu)?20 cm，梁端支承段為120 cm，中跨合龍梁段為46 cm。

(3) 箱梁底板厚度。0號(hào)梁段墩身范圍為150 cm，中跨合龍段為32 cm，邊跨合龍段由32 cm漸變至51.2 cm，邊跨現(xiàn)澆段由51.2 cm漸變至80 cm，現(xiàn)澆梁端支承段為80 cm，根部至合龍段底板厚度按1.8次方拋物線由130 cm漸變至32 cm。

(4) 箱梁腹板厚。墩身范圍內(nèi)的0號(hào)梁段為110 cm，1～12號(hào)梁段為100 cm(見圖2)，13號(hào)梁段由100 cm漸變?yōu)?0 cm，14號(hào)～20號(hào)梁段為80 cm(見圖2)，邊跨合龍段由80漸變?yōu)?6 cm，現(xiàn)澆段由96漸變至120 cm，支撐處現(xiàn)澆段為120 cm，中跨合龍段為80 cm。

圖2　箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:cm)

1.2橋墩及基礎(chǔ)

主墩橋墩縱向由雙肢薄壁墩組成，薄壁墩為矩形空心截面，橫橋向9.5 m，順橋向3.0 m，2片墩間凈距為5 m，墩身上部端與箱梁0號(hào)梁段固接，下部端與承臺(tái)固接。過(guò)渡墩為單箱單室箱墩，縱橋向?qū)?.2 m，橫橋向?qū)?.5 m。主墩承臺(tái)采用20.5 m×15 m×6 m矩形承臺(tái)，過(guò)渡墩承臺(tái)采用11.4 m×13.8 m×4 m矩形承臺(tái)。主墩樁基均采用12根直徑為2.2 m鉆孔樁，過(guò)渡墩樁基單幅橋采用9根直徑為1.8 m樁基，所有樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

1.3箱梁預(yù)應(yīng)力布置

(1) 縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。分為頂板束(T束)、腹板下彎束(W束)、中跨底板束(DZ束)、邊跨底板束(DB束)、合龍段頂板合龍束(邊跨LB束、中跨LZ束)及預(yù)留束(Y束、DBY束、DZY束)6類。縱向預(yù)應(yīng)力采用公稱直徑15.20 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。其中每個(gè)腹板頂板束(T束)42束、腹板下彎束(W束)18束，中跨底板束(DZ束)20束，邊跨底板束10束(DB束)，中跨合龍束(LZ束)2束，邊跨底板束(LB束)6束。

(2) 橫向預(yù)應(yīng)力。采用公稱直徑15.20 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每束3股鋼絞線，設(shè)計(jì)張拉噸位531.2 kN，采用一端張拉方式。

(3) 豎向預(yù)應(yīng)力。采用直徑32 mm的PSB930精軋螺紋粗鋼筋,精軋螺紋粗鋼筋張拉控制應(yīng)力σcon=0.9fpk。

2　橋梁結(jié)構(gòu)分析

2.1計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果圖

主橋縱向結(jié)構(gòu)受力分析采用平面桿系，主梁離散為平面全預(yù)應(yīng)力梁?jiǎn)卧?，?jì)算程序采用橋梁博士V3.3.0，單元數(shù)為194，節(jié)點(diǎn)數(shù)為195，計(jì)算模型見圖3，各種永久荷載和可變荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[2]執(zhí)行，各種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算見圖4～圖7。

圖3　計(jì)算模型

圖4　最大正彎矩及負(fù)彎矩承載能力極限狀態(tài)包絡(luò)圖

圖5　短期效應(yīng)組合下的正截面上、下緣最小正應(yīng)力

圖6　標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下的正截面上、下緣最大正應(yīng)力

圖7　短期效應(yīng)組合下的正截面上、下緣最大主拉應(yīng)力

2.2主要計(jì)算結(jié)果

(1) 箱梁持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面抗裂、斜截面抗裂計(jì)算，作用短期效應(yīng)組合時(shí)，墩頂附近箱梁上緣正截面最小壓應(yīng)力為2.3 MPa，跨中下緣正截面最小壓應(yīng)力2.1 MPa，箱梁斜截面混凝土最大主拉應(yīng)力-1.0 MPa(未考慮豎向預(yù)應(yīng)力影響)。

(2) 箱梁使用階段跨中撓度28.2 cm, 預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的長(zhǎng)期向上撓度17.7 cm。

(3) 箱梁持久狀況預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件正截面壓應(yīng)力及主壓應(yīng)力為17.5 MPa、預(yù)應(yīng)力鋼束的拉應(yīng)力為1 202.8 MPa。

(4) 箱梁橫向框架計(jì)算，短期效應(yīng)組合懸臂最大拉應(yīng)力1.3 MPa，跨中最大拉應(yīng)力1.0 MPa。

以上計(jì)算結(jié)果均滿足《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》[3]的要求。

3　結(jié)論

(1) 較寬的單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁高要比一般橋梁高，根部梁高按常規(guī)的(1/16～1/18)L[4]和跨中梁高按(1/50～1/60)L已不能滿足要求，根部梁高建議按(1/14～1/15)L考慮，跨中梁高按(1/40～1/50)L考慮。

(2) 由于上部結(jié)構(gòu)較重，主拉應(yīng)力的最大值位置不是出現(xiàn)在常規(guī)橋梁的L/4變腹板厚度位置附近，而是出現(xiàn)在根部1號(hào)梁段處，箱梁腹板為滿足抗剪和減小主拉應(yīng)力，寬度建議按100～80 cm設(shè)置。

(3) 根據(jù)橫向計(jì)算，頂板的厚度按常規(guī)的28～30 cm不能滿足要求，應(yīng)通過(guò)橫向計(jì)算確定頂板厚度值。

(4) 預(yù)應(yīng)力的鋼束較一般橋梁用量較多，每方混凝土用量達(dá)到60～70 kg，結(jié)構(gòu)尺寸擬定過(guò)程中應(yīng)充分考慮預(yù)應(yīng)力鋼束的布置空間，盡量使用常規(guī)規(guī)格的鋼束大小，根據(jù)受力特點(diǎn)布置合理的縱向鋼束。

(5) 跨中撓度值較大，跨徑較大的橋梁應(yīng)設(shè)置后期使用的體外預(yù)應(yīng)力構(gòu)造措施。

(6) 根據(jù)本項(xiàng)目多座橋梁的多次試算和調(diào)整結(jié)果情況來(lái)看，橋梁寬度在17 m以內(nèi)可以按單箱單室截面形式處理，大于17 m建議按單箱雙室或采用分幅橋的結(jié)構(gòu)形式處理，特別是20 m寬度以上的連續(xù)剛構(gòu)橋梁，設(shè)計(jì)和施工均應(yīng)采取特殊的措施，以保證結(jié)構(gòu)施工過(guò)程和使用過(guò)程中的安全。

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收稿日期：2015-04-13

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.003