PC連續剛構橋墩頂橫隔板形式對0#塊頂板受力性能影響研究

廖小文，崔相奎

(1.深圳高速工程顧問有限公司;2.遼寧省高等級公路建設局)

1 前言

PC連續剛構橋0#塊頂板縱向開裂現象較多，其主要原因有:(1)為承受施工過程中較大臨時荷載，0#塊頂板厚度較其它位置箱梁頂板大很多，而防止0#塊頂板縱向開裂的橫向預應力鋼束的設計確和其它位置一樣，這種設計明顯不合理，不能有效防止0#塊頂板開裂。(2)傳統形式的橫隔板影響了0#塊頂板的受力性能，即影響了0#塊頂板橫向預應力的作用效果，使得0#塊頂板沒有足夠的壓應力儲備，約束了0#塊頂板在負溫差作用下的收縮變形，以致箱梁頂板產生較大拉應力。因此，防止0#塊頂板縱向開裂就要改進0#塊頂板橫向預應力設計和墩頂橫隔板形式。就不同墩頂橫隔板形式對頂板受力性能的影響進行研究。

為充分發揮橫隔板增加截面抗扭剛度，限制截面畸變變形，擔負支承反力的作用，減小橫隔板對其附近梁段頂板受力性能不利影響，墩頂橫隔板形式改進方案有:(1)減小與頂板相交部位橫隔板的厚度，將墩頂橫隔板設計成變厚度形式，以減小橫隔板剛度，降低橫隔板對頂板的約束作用。(2)將與頂板相交部位橫隔板掏空，以改變0#塊頂板的約束條件。

為分析墩頂橫隔板對0#塊頂板受力性能的影響及得到較優橫隔板改進方案，就橫隔板形式改進后頂板的受力情況與不設橫隔板及傳統形式的橫隔板下頂板的受力情況進行比較。分析中忽略橫隔板上過人洞對計算結果的影響。

2 有限元模型的建立

(1)結構離散

根據圣維南原理，0#塊的應力分布只與鄰近區域的應力狀態有關，遠離0#塊區域的應力狀態對其應力影響很小，所以取出橋墩、0#塊及1#塊建立三維實體單元有限元模型，單元劃分如圖1所示。

(2)計算荷載(作用)

①預應力荷載。建模時考慮頂、腹板縱向預應力荷載。以等效節點力模擬預應力效應，考慮15%的預應力損失。

②梁端截面內力。按平面程序計算結果，梁端截面彎矩取439 969 700 N·m，剪力取60 706 600 N，軸力取543 699 500 N，等效施加到兩梁端截面結點上。

③二期恒載。以橋面面力模擬，值為3 400 N/m2。

④溫度作用。橋面降溫5℃。

(3)約束條件

取墩底固定約束，即三個方向的線位移均為零。

(4)墩頂橫隔板形式

為分析墩頂橫隔板對0#塊頂板受力性能的影響及得到較優橫隔板改進方案，選取五種模型進行分析。第一種模型墩頂不設橫隔板。第二種模型設計成變截面橫隔板，橫隔板頂部為底部1/5厚。第三種模型也設計成變截面橫隔板，橫隔板頂部為底部3/5厚。第四種模型為傳統的橫隔板形式，橫隔板頂部與底部等厚。第五種模型為橫隔板頂部與底部等厚且與頂板相交部位橫隔板掏空。

3 墩頂橫隔板形式對0#塊頂板受力性能影響研究

取五種模型中1、2#截面的A、B兩點為研究對象，如圖2所示。箱梁頂板橫向預應力作用前、后及有橫向預應力的模型上施加溫度作用下，研究對象的橫向正應力值見表1。

表1 五模型研究對象橫向正應力值 MPa

續表1

圖1到圖2為1#截面和2#截面橫向預應力作用前、后及溫度作用后A、B兩點在五種模型中的橫向正應力的變化情況。圖3到圖4為1#截面和2#截面A、B兩點在五種模型中的橫向預應力作用后和溫度作用后橫向正應力的改變值。

由表1和圖1到圖4可得:(1)在五種模型中，在自重作用、橫向預應力作用和溫度作用下，0#塊頂板同一位置橫向正應力變化趨勢基本相同。對1#截面，模型二、三、四中橫向正應力大小相當，模型一橫向正應力最小，模型五橫向正應力次之;對2#截面，從模型一到模型四橫向正應力逐漸增大，模型五橫向正應力較模型一大，較其他模型小。

(2)在五種模型中，從模型一到模型四0#塊頂板橫向預應力作用效應逐漸減弱，模型五較模型一大較其他模型小。橫向預應力作用前后，1#、2#截面A點橫向正應力改變值，模型一到模型四最大分別為0.91 MPa和0.82 MPa;模型五比模型一均小0.3 MPa。

(3)在五種模型中，溫度作用前后，1#、2#截面A點橫向正應力改變值變化較小。模型五相對其它模型橫向正應力改變值改變最大。

圖1 1#截面

圖2 2#截面

圖3 1#截面

圖4 2#截面

(4)通過五種模型的比較分析，墩頂橫隔板降低了0#塊頂板橫向預應力的作用效應，增加了負溫差作用對0#塊頂板的不利影響。變厚度橫隔板形式，即降低橫隔板剛度，對0#塊頂板受力有利，但影響不大;改變0#塊頂板的約束條件，即將橫隔板上部掏空，對0#塊頂板受力非常有利。

4 結論

通過比較分析，五種墩頂橫隔板模型中，從模型二到模型三，0#塊頂板受力逐漸變差;模型一和模型五中0#塊頂板受力最為有利，頂板橫向預應力的作用效應最好，負溫差作用下0#塊頂板受力也比較均勻。建議采用模型五，即將橫隔板與頂板相接的地方掏空，這樣即可以限制截面畸變變形，分擔支承反力，又可以減小墩頂橫隔板對0#塊頂板受力的不利影響。