預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析

文/張鐵強(qiáng)

1 前言

由于橋位所處位置的特殊性，城市橋梁的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與一般公路橋梁有所不同，除了要考慮橋梁本身結(jié)構(gòu)要求外，還應(yīng)滿足運(yùn)營使用、交通開發(fā)和城市發(fā)展等要求，按照實(shí)用、安全、經(jīng)濟(jì)和美觀原則設(shè)計(jì)[1]。橋梁的設(shè)計(jì)原則：實(shí)用，并且有足夠的載荷能力，以保證行駛順暢、舒適和安全；航運(yùn)交通要道上的橋梁應(yīng)保證通航要求；安全，未來橋梁設(shè)計(jì)不斷向人文發(fā)展，舒適安全是一切生產(chǎn)的前提，既要控制橋梁縱橫震動(dòng)振幅，也要避免汽車行駛振動(dòng)與沖擊；經(jīng)濟(jì)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括工程造價(jià)低、工期短、效率高、維護(hù)便捷等幾個(gè)方面；美觀，橋梁應(yīng)盡量美觀，與周圍環(huán)境和諧，提升美學(xué)價(jià)值，重視環(huán)境保護(hù)和橋梁的建筑藝術(shù)[2]。

2 橋跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橋型布置及主梁設(shè)計(jì)

本文案例橋梁設(shè)計(jì)總長度為220m，適用于大跨度橋梁的連續(xù)梁橋型式，斷面形式選用箱形截面。橋梁體系為分離的兩幅橋，單幅橋主梁箱形截面沿縱向二次拋物線變化，橋面總寬均為29m，雙向六車道通車，選用三跨連續(xù)箱型連續(xù)梁橋作為最終的設(shè)計(jì)方案[3]。

2.1.1 孔徑布置：60m+100m+60m，全長220m，邊跨約為中跨的0.6 倍。

2.1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造：從預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的受力特點(diǎn)來分析，連續(xù)梁的立面宜采用變截面布置。根據(jù)已建成橋梁的資料分析，支點(diǎn)梁高取H=6m，中跨的跨中梁高取h=2.5m。為方便計(jì)算與施工，邊跨的跨中梁高采用與中跨相同的值。

2.1.3 橋墩及基礎(chǔ)：經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，柱墩選用柱式，其廣泛應(yīng)用于公路橋梁、城市橋梁、立交橋和中小跨徑鐵路橋梁中，因其質(zhì)量輕、節(jié)省材料的特點(diǎn)取勝于其他橋梁。此外，橋墩采用雙柱墩，柱直徑1.6m，橋墩基礎(chǔ)采用直徑1.8m、長度20m 的鉆孔灌注樁[4]。

2.1.4 施工方案：結(jié)構(gòu)施工采用整體支架現(xiàn)澆筑的方法，即在支架上安裝模板，綁扎安裝鋼筋骨架，預(yù)留孔，現(xiàn)場澆筑箱梁混凝土，施加預(yù)應(yīng)力[5]。

2.2 主要材料及材料性能

橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，除了考慮整體的基準(zhǔn)年限、荷載、行車速度，還需考慮橋面的空間高寬和縱橫坡度以及橋下通航等技術(shù)指標(biāo)，本橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求如表1 所示。

表1 預(yù)應(yīng)力鋼束材料屬性表格

3 數(shù)值建模與內(nèi)力分析

3.1 計(jì)算模型

運(yùn)用有限元方法對(duì)連續(xù)梁橋梁進(jìn)行主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算，是橋梁配筋及驗(yàn)算的重要手段。試將全橋劃分為70 個(gè)有限單元，其中節(jié)點(diǎn)設(shè)置79 個(gè)，邊界條件數(shù)8 個(gè)。施工階段共設(shè)置47 個(gè)階段，施工步驟如下：首先安裝0#塊主梁，持續(xù)時(shí)間為10 天；13 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段依次進(jìn)行掛籃、濕重、安裝等施工階段，持續(xù)時(shí)間各10 天；掛籃和安裝邊跨現(xiàn)澆段，持續(xù)時(shí)間各10 天；邊跨合攏段安裝階段的持續(xù)時(shí)間為14 天，邊跨合攏體系轉(zhuǎn)換階段的持續(xù)時(shí)間為14 天；邊跨合攏后再進(jìn)行中跨合攏，中跨合攏階段持續(xù)14 天；最后，再設(shè)置二期恒載持荷階段的持續(xù)時(shí)間10 天以及收縮徐變階段的持續(xù)時(shí)間3650天[6]。

3.2 荷載工況

根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范，主梁內(nèi)力計(jì)算其中主梁自重系數(shù)取為-1.04，設(shè)置荷載工況包括：恒載計(jì)算工況和活載計(jì)算工況（車道荷載，未考慮人群荷載），整體升溫和整體降溫、梁截面正溫度梯度和負(fù)溫度梯度，徐變收縮計(jì)算中構(gòu)件理論厚度由程序自動(dòng)計(jì)算，支座沉降按照每個(gè)地基及基礎(chǔ)的最大沉降量計(jì)算最不利荷載組合（各組不均勻沉降-10mm）。按此計(jì)算模型及荷載條件，并對(duì)該橋進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)基本組合和正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合[7]。

3.3 內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)前文梁跨結(jié)構(gòu)縱向和橫向截面的布置，通過有限元模型荷載作用，進(jìn)行各主梁控制截面永久作用內(nèi)力和可變荷載作用內(nèi)力分析。主橋在恒荷載工況下的內(nèi)力結(jié)果如下圖1 所示，由此可知墩頂處存在最大負(fù)彎矩為3.85×108kN.m，跨中處存在最大中彎矩為1.219×107kN.m[8]。

圖1 恒載彎矩圖

4 有限元驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值建模計(jì)算內(nèi)力，由此估算預(yù)應(yīng)力鋼筋以及各構(gòu)造鋼筋，合理布置并調(diào)試預(yù)應(yīng)力鋼束以及構(gòu)造鋼筋，再運(yùn)行PSC 設(shè)計(jì)、驗(yàn)算主梁結(jié)構(gòu)承載能力。按照《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》（JTG 3362-2018），由MIDAS 軟件 進(jìn) 行PSC 驗(yàn) 算，所得結(jié)果以圖表等形式所示。

4.1 承載極限驗(yàn)算

預(yù)應(yīng)力混凝土梁，在承載能力極限狀態(tài)下，沿正截面和斜截面均可能被破壞，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行正截面抗彎、斜截面抗剪、抗扭等承載能力驗(yàn)算。其中，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)最大值均小于等于構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值，參照T 形或者工形截面計(jì)算箱形截面受彎構(gòu)件的正截面承載能力。由于未考慮普通鋼筋參與受力，故按下列規(guī)定計(jì)算正截面抗彎承載能力時(shí)也不需要考慮普通鋼筋的影響，驗(yàn)算結(jié)果如圖2 所示，正常使用極限與構(gòu)建應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如表2所示，滿足規(guī)范要求[9]。

表2 正常使用極限與構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

圖2 正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果圖形

4.2 正常使用極限與構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了某預(yù)應(yīng)力連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。連續(xù)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將有限元分析與規(guī)范相結(jié)合，可保證結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算和承載驗(yàn)算的準(zhǔn)確性，極大提高工作效率，降低工作難度；同時(shí)，還分析了該大跨徑連續(xù)梁橋的主梁在永久荷載和可變荷載作用下的受力情況，設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮最不利承載力值[10]。本文設(shè)計(jì)中對(duì)于承載能力極限狀態(tài)結(jié)果的驗(yàn)算，可看出跨中存在最大彎矩值，預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)從墩頂處開始張拉布置；對(duì)于正常使用狀態(tài)結(jié)果中主梁在橋墩兩側(cè)最大值，應(yīng)將其作為驗(yàn)算控制值；對(duì)于混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算，預(yù)應(yīng)力鋼筋不能布置過多，以防出現(xiàn)混凝土壓應(yīng)力過大的情況。