劉沐宇 曾宏偉 鄧曉光 張 強(qiáng)

(武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070)(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司2) 武漢 430050)

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工方法，具有受力合理、施工速度快、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小跨徑橋梁[1-2].隨著橋梁跨徑逐步增大，在由簡(jiǎn)支變連續(xù)的體系轉(zhuǎn)換中，梁端現(xiàn)澆段、支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力張拉、臨時(shí)支座拆除等施工順序的不同，將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和施工安全產(chǎn)生較大的影響[3].

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)簡(jiǎn)支變連續(xù)的合理施工順序與支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)抗裂措施展開了一系列研究.楊萬里等[4]研究了不同端澆筑與張拉工序下的結(jié)構(gòu)受力,得出“一次整體澆筑”在各支點(diǎn)附近截面上緣具有更大的壓應(yīng)力儲(chǔ)備.劉亞楠[5]研究了某六跨簡(jiǎn)支變連續(xù)梁橋的臨時(shí)支座拆除順序，得出“隔斷拆除”引起的附加撓度較小.現(xiàn)有研究成果主要針對(duì)中小跨徑橋梁，隨著跨徑的不斷增大，橋梁結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜.對(duì)于橋梁支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)，為了提高橋梁的抗裂能力，常用的抗裂措施主要包括預(yù)壓靜載法、支點(diǎn)升降法及布置頂板預(yù)應(yīng)力鋼束等，其施工過程復(fù)雜.樊健生等[6]研究了鋼-ECC組合梁負(fù)彎矩區(qū)受彎性能，其開裂荷載較鋼混組合梁提高5倍.李文光等[7-8]研究了鋼-UHPC組合橋面的受彎性能，發(fā)現(xiàn)其在負(fù)彎矩作用下開裂荷載達(dá)到18 MPa以上.針對(duì)負(fù)彎矩區(qū)抗裂問題，文中從提升負(fù)彎矩區(qū)混凝土抗裂性能出發(fā)，通過研發(fā)輕質(zhì)超高性能混凝土(lightweight ultra-high performance concrete，LUHPC)，提出部分替代負(fù)彎矩區(qū)小箱梁的頂板材料、取消頂板內(nèi)設(shè)置的預(yù)應(yīng)力鋼束的抗裂措施，為解決預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁負(fù)彎矩區(qū)抗裂問題提供新的途徑.

1 工程概況

武漢市某高架橋全長2.24 km，道路等級(jí)為城市快速路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為城-A級(jí).橋梁上部結(jié)構(gòu)為采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋結(jié)構(gòu)，跨徑40 m，4 m×40 m一聯(lián)，縱向布置見圖1.

圖1 武漢市某高架橋4 m×40 m一聯(lián)縱向布置圖(單位：cm)

橋梁按左右幅分離進(jìn)行設(shè)計(jì)，單跨半幅橋?qū)?8.5 m，預(yù)制梁由6片梁組成，梁高2 m，圖2為預(yù)制小箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖.支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)范圍內(nèi)布置7束預(yù)應(yīng)力鋼束(見圖3)，T1、T2、T3號(hào)鋼束分別為6股、5股、6股，采用s15.24(A=140 mm2)高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，張拉控制力為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的75%.

圖2 預(yù)制小箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

圖3 負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖(單位：dm)

2 合理施工順序確定

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋其施工方法為先簡(jiǎn)支后連續(xù)，需要經(jīng)歷以下階段：吊裝主梁到位→澆筑小箱梁間橫向濕接縫混凝土→澆筑縱向現(xiàn)澆段混凝土→張拉負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束→拆除臨時(shí)支座，完成體系轉(zhuǎn)換→橋面鋪裝施工.在結(jié)構(gòu)體系從簡(jiǎn)支過渡到連續(xù)的施工過程中，不同的施工順序?qū)?duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布和變形產(chǎn)生較大的影響，文中針對(duì)不同負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力束張拉與臨時(shí)支座拆除順序?qū)蛄菏芰Φ挠绊懻归_研究，以期找到合理施工順序，為施工組織設(shè)計(jì)提供依據(jù)，見圖4.

圖4 主梁簡(jiǎn)支變連續(xù)施工示意圖

負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力張拉順序考慮以下3個(gè)工序方案：方案1，一次澆筑，依次張拉；方案2，一次澆筑，由兩邊至中間對(duì)稱張拉；方案3，一次澆筑，由中間至兩邊對(duì)稱張拉.

臨時(shí)支座拆除順序考慮以下三個(gè)工序方案：方案1，依次拆除；方案2，由兩邊至中間對(duì)稱拆除；方案3，由中間至兩邊對(duì)稱拆除.

2.1 有限元模型建立

運(yùn)用midas軟件采用梁格法建立全橋有限元模型，共劃分節(jié)點(diǎn)1 582個(gè)、單元2 029個(gè)，根據(jù)實(shí)際情況施加邊界條件和荷載.武漢市某高架橋4×40 m一聯(lián)有限元模型見圖5，模型混凝土材料參數(shù)見表1，預(yù)應(yīng)力鋼束參數(shù)見表2.

圖5 武漢市某高架橋4×40 m一聯(lián)有限元模型

表1 C50混凝土材料特性

表2 預(yù)應(yīng)力鋼束材料特性

2.2 負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序分析

各工序完成后各跨中累計(jì)撓度見表3，各支點(diǎn)截面上緣應(yīng)力見表4.

表3 不同張拉方案下各跨中累計(jì)撓度 單位：mm

表4 不同張拉方案下各支點(diǎn)截面上緣應(yīng)力 單位：MPa

由表3可知：方案1各跨跨中撓度分布較離散，第4跨跨中累計(jì)撓度小于第1跨，第3跨跨中累計(jì)撓度小于第2跨.方案2～3中，各跨跨中累計(jì)撓度基本對(duì)稱，方案3邊跨跨中撓度小于方案2，中跨跨中撓度大于方案2，因此方案2有利于中跨受力，不利于邊跨受力，而方案3則對(duì)邊跨受力有利，對(duì)中跨受力不利.

分析表4可知：3個(gè)工序各支點(diǎn)截面上緣應(yīng)力與各跨中累計(jì)撓度有著相同的分布規(guī)律，即方案1各支點(diǎn)截面上緣壓應(yīng)力較離散，方案2有利于中跨受力，方案3對(duì)邊跨受力有利.

綜上所述，方案3結(jié)構(gòu)撓度小、變化均勻，支點(diǎn)截面壓應(yīng)力較大，有利于支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)抗裂，故“梁端混凝土一次澆筑，由中間至兩邊對(duì)稱張拉負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力束”為合理施工順序.

2.3 臨時(shí)支座拆除順序分析

采用“一次澆筑，由中間至兩邊對(duì)稱張拉”的施工工序，以負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成為基準(zhǔn)，進(jìn)行合理臨時(shí)支座拆除順序分析.各工序完成后各跨中最大階段撓度見表5，各跨中累計(jì)撓度見表6，各支點(diǎn)截面上緣應(yīng)力見表7.

表5 不同拆除方案下各跨中最大階段撓度 單位：mm

表6 不同拆除工序下各跨中累計(jì)撓度 單位：mm

表7 不同拆除工序下各支點(diǎn)截面上緣應(yīng)力 單位：MPa

由表5可知：臨時(shí)支座的拆除順序?qū)?duì)階段撓度產(chǎn)生一定影響，對(duì)比三種工序的各跨跨中最大階段撓度，方案1在第4跨跨中出現(xiàn)了2.00 mm的最大值，各跨最小值均發(fā)在方案3；以最小值為基準(zhǔn)，各跨計(jì)算結(jié)果最大值與最小值分別相差17.4%、20.0%、8.3%、19.8%.

方案3引起的跨中撓度最小，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小，因此，合理的臨時(shí)支座拆除順序?yàn)榉桨?，“由中間至兩邊對(duì)稱拆除”.

3 負(fù)彎矩區(qū)抗裂措施

在負(fù)彎矩區(qū)主梁頂板內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力束是當(dāng)前大跨徑預(yù)應(yīng)力小箱梁橋采用的負(fù)彎矩抗裂措施之一，但由于施工復(fù)雜、錨固區(qū)應(yīng)力集中、預(yù)應(yīng)力損失等問題，其運(yùn)用具有一定局限[9].針對(duì)上述問題，從提高負(fù)彎矩區(qū)混凝土材料的抗拉性能角度出發(fā)，制備出具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、免蒸養(yǎng)等優(yōu)異性能的LUHPC[10]，將其應(yīng)用于橋梁負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)(支點(diǎn)左右各8.5 m)小箱梁頂板截面與主梁現(xiàn)澆段截面(見圖6～8)，充分利用LUHPC優(yōu)異的力學(xué)性能，取消負(fù)彎矩區(qū)頂板內(nèi)設(shè)置的預(yù)應(yīng)力鋼束.

圖6 負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置LUHPC示意圖

圖7 小箱梁LUHPC-C50橫斷面

圖8 支點(diǎn)處現(xiàn)澆段橫斷面

3.1 LUHPC的制備與基本力學(xué)性能

3.1.1LUHPC配合比

制備LUHPC采用P·O52.5水泥；礦物摻合料選用硅灰與粉煤灰；集料選用細(xì)陶砂；外加劑選用羧酸高效減水劑；鋼纖維選用高強(qiáng)鍍銅微細(xì)短鋼纖維.LUHPC具體配合比見表8.

表8 LUHPC配合比

3.1.2LUHPC基本力學(xué)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

GB/T 50081-2019按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試件的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)性能測(cè)試，按照J(rèn)GJ/T 12-2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試試件的表觀密度.立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm, 軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm.試件齡期均為28 d.每組試驗(yàn)均采用3組試件，每組3個(gè)試件，結(jié)果取平均值.

3.1.3LUHPC基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)得LUHPC立方體抗壓強(qiáng)度fcu、軸心抗壓強(qiáng)度fc、劈裂抗拉強(qiáng)度fts、彈性模量E、泊松比μ、表觀密度ρ，試驗(yàn)結(jié)果見表9.

表9 LHUPC基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 負(fù)彎矩區(qū)抗裂性能有限元分析

3.2.1有限元模型建立

運(yùn)用midas軟件中施工聯(lián)合截面功能建立全橋有限元模型，通過在對(duì)應(yīng)的施工階段分別激活C50材料截面與LUHPC材料截面，達(dá)到模擬多層疊合的效果.LUHPC材料參數(shù)見表10.

表10 LHUPC材料特性

3.2.2負(fù)彎矩區(qū)成橋階段應(yīng)力分析

成橋恒載作用下，主梁負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力圖見圖9，各支點(diǎn)截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表11.

圖9 成橋階段結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力圖

表11 成橋階段各支點(diǎn)截面應(yīng)力表 單位：MPa

在成橋階段各支點(diǎn)截面上緣均受拉，最大拉應(yīng)力為2.51 MPa，發(fā)生在1#支點(diǎn)截面上緣，遠(yuǎn)小于LUHPC劈裂抗拉強(qiáng)度14.1 MPa，各支點(diǎn)截面下緣均受壓，橋梁在負(fù)彎矩區(qū)具有足夠的安全儲(chǔ)備.

3.2.3負(fù)彎矩區(qū)運(yùn)營階段應(yīng)力分析

考慮以下兩種荷載組合對(duì)抗裂新措施控制下橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力分析，組合1：1.0恒荷載+1.0收縮徐變+0.7汽車荷載+0.4人群荷載+1.0整體溫升+0.8升溫梯度+1.0沉降；組合2：1.0恒荷載+1.0收縮徐變+0.7汽車荷載+0.4人群荷載+1.0整體溫降+0.8降溫梯度+1.0沉降.

運(yùn)營階段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表12，圖11為負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置LUHPC在組合2作用下主梁負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力包絡(luò)圖.

圖10 組合2作用下主梁負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力包絡(luò)圖

表12 運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

由表12可知，在最不利荷載組合作用下，負(fù)彎矩區(qū)主梁頂板內(nèi)取消預(yù)應(yīng)力束，小箱梁LUHPC截面內(nèi)最大拉應(yīng)力為6.46 MPa，小于LUHPC劈裂抗拉強(qiáng)度14.1 MPa，滿足抗裂要求.表明本文提出的基于LUHPC材料應(yīng)用的負(fù)彎矩區(qū)抗裂新措施是可行的.

4 結(jié) 論

1) 經(jīng)過3種負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序方案對(duì)比分析表明：方案3，即一次性澆筑各現(xiàn)澆段，由中間向兩邊對(duì)稱預(yù)應(yīng)力張拉，對(duì)橋梁的邊跨受力和跨中撓度影響最小，故方案3是合理的.

2) 經(jīng)過三種臨時(shí)支座拆除順序方案對(duì)比分析表明：方案3，即由中間向兩邊對(duì)稱拆除臨時(shí)支座，對(duì)橋梁的跨中撓度影響最小，故方案3是合理的.

3) 對(duì)負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置LUHPC材料的抗裂措施分析表明：在最不利荷載組合作用下，負(fù)彎矩區(qū)小箱梁頂板內(nèi)取消預(yù)應(yīng)力束，小箱梁LUHPC截面內(nèi)最大拉應(yīng)力為6.46 MPa，小于LUHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度14.1 MPa，滿足抗裂要求.表明基于LUHPC材料應(yīng)用的負(fù)彎矩區(qū)抗裂新措施是可行的.