預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的設(shè)計(jì)

王鵬

摘要：以某高速公路段上預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋?yàn)槔鶕?jù)橋梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)正常使用階段箱形梁主梁的正、斜截面的抗裂進(jìn)行分析研究。計(jì)算結(jié)果表明：主梁設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。研究為橋梁工程設(shè)計(jì)提供了理論參考。

Abstract： Taking a prestressed concrete continuous box girder bridge as an example， according to the standard of bridge design， this paper analyzes and studies the crack resistance of the normal and oblique section of the box girder. The results show that the design of the main girder can meet the specification requirements， and the research provides a theoretical reference for the design of the bridge engineering.

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；連續(xù)箱梁；現(xiàn)澆混凝土；主梁驗(yàn)算

Key words： prestressed concrete；continuous box girder；cast-in-place concrete；beam checking

中圖分類號(hào)：U448.21+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）06-0128-03

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁[1]是目前使用較多的橋梁結(jié)構(gòu)形式之一，這種橋梁結(jié)構(gòu)形式具有受力合理、整體剛度大、變形小、整體穩(wěn)定性好、抗扭能力強(qiáng)以及線形優(yōu)美等特點(diǎn)。但是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁混凝土開(kāi)裂[2-5]、跨中下?lián)弦彩抢_工程界的難題，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁開(kāi)展了大量的模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)理論研究[2-5]，研究結(jié)果表明：現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的正、斜截面的抗裂驗(yàn)算是箱梁正常使用階段的有力保障。

本文以某高速公路主線K63+237處，22+32+22米預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)槔紤]現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的預(yù)應(yīng)力鋼束布置，對(duì)正常使用階段箱形梁主梁的正、斜截面的抗裂[1]進(jìn)行分析，為橋梁的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概述

本橋位于某高速公路主線K63+237處，為跨越某高速公路而設(shè)，全長(zhǎng)86m。橋梁設(shè)計(jì)為22+32+22米預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋墩、橋臺(tái)均徑向布置。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形梁，全橋采用3孔一聯(lián)，共一聯(lián)，箱形梁主梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，普通鋼筋采用熱軋HPB300、HRB400，預(yù)應(yīng)力鋼絞線公稱直徑為？準(zhǔn)s15.2（7？準(zhǔn)5）mm，在兩岸橋臺(tái)處設(shè)置80型伸縮縫；下部結(jié)構(gòu)橋墩均采用花瓶墩，承臺(tái)及人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)均采用重力式U型橋臺(tái)、剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)。本文以23+32+22聯(lián)跨設(shè)計(jì)為例，對(duì)等截面預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例工程分析。橋梁總體布置圖尺寸詳見(jiàn)圖1。

2 箱梁截面

橋梁上部結(jié)構(gòu)跨徑為22+32+22m。主梁采用單箱雙室截面，如圖2所示。箱梁頂寬9m，其中懸臂長(zhǎng)1.5m，懸臂根部厚0.5m，箱梁底寬6m，橋面橫坡在橋面鋪裝中調(diào)整，箱梁頂面和底面橫向?yàn)樗矫妗Ｏ淞壕捎弥备拱澹焊?.7m，頂板厚25cm，懸臂端頂板厚15cm，底板厚25cm，腹板厚跨中50cm。橋梁中跨跨中設(shè)置1.2cm的預(yù)拱度，預(yù)拱度從跨中到支點(diǎn)按二次拋物線變化，邊跨不設(shè)預(yù)拱度。

3 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

由于本聯(lián)橋梁為多跨連續(xù)箱梁橋，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束配置時(shí)，綜合考慮布跨方式、頂應(yīng)力損失及次內(nèi)力的影響，做到鋼束配置的最優(yōu)化、最合理是比較復(fù)雜的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮到本橋跨度不大，橫向?yàn)殡p支座支承的等截面箱梁，故僅設(shè)置了腹板束、底板束2種不同的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，為單向預(yù)應(yīng)力體系。首先在梁體內(nèi)布置一定數(shù)量的腹板通長(zhǎng)鋼束，其次布置頂?shù)装邃撌缘窒糠至后w正負(fù)彎矩的影響。腹板預(yù)應(yīng)力束僅有豎彎底板預(yù)應(yīng)力束除有堅(jiān)彎外，在靠近錨國(guó)處適當(dāng)平彎，以便于鋼束在箱梁內(nèi)錨固，減小錨頭齒塊的尺寸。預(yù)應(yīng)力鋼束采用七根鋼絲捻制的標(biāo)準(zhǔn)型高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線，其主要技術(shù)性能必須符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2003）的相關(guān)規(guī)定。公稱直徑？準(zhǔn)s15.2（7？準(zhǔn)5）mm，公稱面積140mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。本橋箱梁預(yù)應(yīng)力錨具采用15-14型。

預(yù)應(yīng)力鋼束張拉時(shí)，張拉控制應(yīng)力σk=1395MPa，初張拉應(yīng)力0.1σk=139.5MPa，張拉力Nk=N·A·σk，N為一束鋼束中鋼絞線股數(shù)。Nk不包括千斤頂?shù)膬?nèi)摩阻及鋼束與錨具的摩阻力，這兩項(xiàng)摩阻力都應(yīng)根椐實(shí)驗(yàn)確定，總張拉力應(yīng)為控制張拉力與千斤頂內(nèi)摩阻力及鋼束與錨具的摩阻力之和，OVM錨具采用整束張拉。

4 結(jié)構(gòu)有限元模型與荷載工況

4.1 相關(guān)計(jì)算參數(shù)

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1；梁柱自重增大系數(shù)：1.04；主梁二期：61.6kN/m；支座沉降：考慮5mm的支座沉降；系統(tǒng)溫度：根據(jù)橋梁所處的地區(qū)，取系統(tǒng)溫升20℃，系統(tǒng)降溫20℃；溫度梯度：據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[6]（JTG D60-2015）第4.3.10第三款、第四款規(guī)定取值；移動(dòng)荷載：汽車荷載，橋梁等級(jí)為公路Ⅱ級(jí)；對(duì)于汽車荷載縱向整體沖擊系數(shù)μ，按照《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]第4.3.2條，計(jì)算得沖擊系數(shù)μ1=0.231。

4.2 有限元模型的建立

本橋上部結(jié)構(gòu)體系為連續(xù)結(jié)構(gòu)，采用A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，用“Midas Civil”對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析，對(duì)各受力階段進(jìn)行內(nèi)力、應(yīng)力、位移等校核。橋梁所受荷載除結(jié)構(gòu)自重、活載外還考慮了預(yù)加力、二期恒載（橋面鋪裝、墻式護(hù)欄等）、溫度、不均勻沉降、混凝土收縮、徐變等。最后建立上部結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

4.3 荷載工況組合

根據(jù)本橋所處環(huán)境及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，荷載工況見(jiàn)表1。

5 上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[6]（JTG D60-2015）、《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》[7]（JTG D62-2004）相關(guān)條文規(guī)定對(duì)箱形梁主梁進(jìn)行驗(yàn)算。箱形梁主梁驗(yàn)算分為承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算與正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。其中承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算主要有施工階段法向壓應(yīng)力、受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力驗(yàn)算、使用階段正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算、使用階段斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算和短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算，在設(shè)計(jì)驗(yàn)算中是較為容易通過(guò)的。正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算包括使用階段正截面抗裂驗(yàn)算、使用階段斜截面抗裂驗(yàn)算，在設(shè)計(jì)中是較難通過(guò)的。本文重點(diǎn)介紹箱形梁正截面和斜截面抗裂驗(yàn)算。

5.1 正截面抗裂驗(yàn)算

根據(jù)《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》[7]（JTG D62-2004）第6.3.1條第一款規(guī)定，正截面抗裂應(yīng)對(duì)構(gòu)件正截面混凝土的拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

正截面短期組合與長(zhǎng)期組合抗裂驗(yàn)算結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖4與圖5可以看出，在橋墩處會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力驟然變小的情況，甚至在短期組合作用下，可能會(huì)有拉應(yīng)力的出現(xiàn)，這是因?yàn)楸緲蚴菫槿滓宦?lián)共一聯(lián)的連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)，除了兩端豎向支撐外，中間也有豎向的邊界條件，所以在加載情況下，中間墩有往上的支撐力而使得整個(gè)正彎矩分布往上抬而在中支點(diǎn)位置出現(xiàn)負(fù)彎矩。

由圖4可知，在短期荷載效應(yīng)作用下，存在最大拉應(yīng)力為0.2MPa，滿足規(guī)范要求；由圖5可知，在長(zhǎng)期荷載效應(yīng)作用下，主梁全截面受壓，滿足規(guī)范要求，故正截面抗裂滿足規(guī)范要求。

5.2 斜截面抗裂驗(yàn)算

根據(jù)《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》[7]（JTG D62-2004）第6.3.1條第二款規(guī)定，斜截面抗裂應(yīng)對(duì)構(gòu)件斜截面混凝土的主拉應(yīng)力σtp進(jìn)行驗(yàn)算。

圖6為斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果圖。從圖6可以看出，在橋墩單元附近應(yīng)力較大，這是因?yàn)楸緲蚴沁B續(xù)梁結(jié)構(gòu)，由于橋墩的存在，在其附近的區(qū)域?qū)儆诩袅蛷澗鼐^大的最不利區(qū)域，最大主拉應(yīng)力往往出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域。

由圖6可知，由作用短期效應(yīng)組合和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土法向主應(yīng)力最大拉應(yīng)力為0.83MPa，小于容許值1.325MPa，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某高速公路主線K63+237處，22+32+22米預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)槔紤]現(xiàn)澆連續(xù)箱形梁的預(yù)應(yīng)力鋼束布置，對(duì)正常使用極限狀態(tài)下主梁的正、斜截面的抗裂進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

①箱形梁正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果表明：在短期荷載效應(yīng)作用下，存在最大拉應(yīng)力為0.2MPa；在長(zhǎng)期荷載效應(yīng)作用下，主梁全截面受壓。箱梁正截面抗裂滿足規(guī)范要求。②箱形梁斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果表明：短期效應(yīng)組合和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土法向主應(yīng)力最大拉應(yīng)力為0.83MPa，小于容許值1.325MPa。箱梁斜截面抗裂滿足規(guī)范要求。

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