連續(xù)高架大懸臂蓋梁的安全度指標(biāo)研究

何宇健,沈理斌

(嘉興市交通投資集團有限責(zé)任公司 嘉興市 314001)

0 引言

近年來,高速橋梁多有與現(xiàn)狀國省道共線的情況,共線橋梁型式的選擇,既要考慮與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào),確保橋下道路視距通透,也要考慮高架橋梁的施工交通組織和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,并盡可能減少占地、預(yù)留橋下道路拓寬空間。鑒于此,橋梁上部一般采用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu),而下部結(jié)構(gòu)一般采用少墩柱的大懸臂蓋梁方案。現(xiàn)階段新建高速公路普遍以雙向六車道為主,根據(jù)以往工程案例的調(diào)查走訪,大懸臂蓋梁的最大懸挑長度可達13m,如何在兼顧經(jīng)濟性的前提下確保蓋梁結(jié)構(gòu)安全可靠則成了一個重要命題。祁巍等[1]模擬大懸臂蓋梁不同施工階段和運營階段的受力特性,為蓋梁計算參數(shù)取值和設(shè)計提供借鑒;榮向波等[2]結(jié)合大挑臂蓋梁的桿系結(jié)構(gòu)和實體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果,為同類蓋梁設(shè)計提供參考。此類研究多集中在如何對大懸臂蓋梁進行設(shè)計計算,而對蓋梁的安全度指標(biāo)少有提及,蓋梁作為橋梁結(jié)構(gòu)中承上啟下的重要構(gòu)件,設(shè)計過于保守會造成材料和公共資源的浪費,過于激進又會留下安全隱患,因此,研究大懸臂蓋梁的安全度指標(biāo)是十分必要的。

1 工程概況

某連續(xù)高架橋采用橋下空間利用的中分帶落墩設(shè)計方案,橋面為雙向六車道,橋?qū)?×16.25m,橋下地面道路為雙向四車道,中分帶寬11m。橋梁上部結(jié)構(gòu)主要采用30mT梁,共布設(shè)2×7片;下部結(jié)構(gòu)采用大懸臂蓋梁敞開式H型墩,下設(shè)啞鈴型承臺接4根Φ2m的樁基礎(chǔ)。主要尺寸見圖1。

圖1 連續(xù)高架橋上下部結(jié)構(gòu)示意圖(單位:cm)

橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載和汽車荷載通過大懸臂蓋梁傳遞給墩柱和基礎(chǔ),大懸臂蓋梁的可靠性則受橋面鋪裝加鋪、汽車超載、施工過程中預(yù)應(yīng)力損失等多方面影響,歸結(jié)起來橋面加鋪和汽車超載在上部結(jié)構(gòu)安全儲備上有所體現(xiàn),下面將主要從上部結(jié)構(gòu)承載能力富余度和蓋梁施工過程中預(yù)應(yīng)力損失這兩方面來研究蓋梁的安全度取值問題。

2 上部結(jié)構(gòu)安全度指標(biāo)探析

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體原則是抗力不小于荷載作用,且需考慮到諸多不確定性,包括材料強度的不均勻性、荷載的不確定性、結(jié)構(gòu)抗力計算分析的不確定性以及施工的不確定性等,結(jié)構(gòu)設(shè)計一般都會預(yù)留一定安全富余來包絡(luò)這些不確定性。現(xiàn)行規(guī)范采用的是基于概率統(tǒng)計的可靠性設(shè)計方法,是通過可靠一致性最佳的原則確定荷載分項系數(shù),最終在規(guī)定使用年限內(nèi)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)都能保證結(jié)構(gòu)安全。

蓋梁的安全度與橋梁上部結(jié)構(gòu)息息相關(guān),從結(jié)構(gòu)破壞的后果來看,下部結(jié)構(gòu)破壞造成的經(jīng)濟損失通常大于上部結(jié)構(gòu)的破壞。因此,下部結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不應(yīng)小于上部結(jié)構(gòu),不考慮極端荷載車輛撞擊或地震造成的破壞,也就是大懸臂蓋梁的安全度要大于上部結(jié)構(gòu)安全度。目前高速公路上常用的預(yù)裝拼裝上部結(jié)構(gòu)主要有T梁和小箱梁,主要跨徑是25m和30m,收集以往工程項目上部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙,根據(jù)《公預(yù)規(guī)》[3]第5.2.2條:

利用Midas Civil有限元軟件對其抗彎承載能力分別驗算,具體計算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 上部結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計值與抗力值

圖3 上部結(jié)構(gòu)承載能力安全系數(shù)

高速橋梁預(yù)制拼裝上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用多項指標(biāo)控制,包括施工階段和運營階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、強度、變形等要素,根據(jù)統(tǒng)計,在應(yīng)力和剛度滿足規(guī)范要求的前提下,上部結(jié)構(gòu)極限承載能力普遍留有安全富余,其中抗彎承載能力富余度一般在9%～22%,抗剪承載能力富余度在26%～35%之間。也就是說,單從上下部結(jié)構(gòu)安全度保持一致的角度看,大懸臂蓋梁的極限承載能力富余度不宜小于10%。

3 大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁施工期間的預(yù)應(yīng)力損失分析

大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁采用后張法的施工工藝,預(yù)應(yīng)力鋼束自張拉到錨固完成,施工期間會產(chǎn)生管道摩阻損失、混凝土彈性壓縮損失、錨固損失等瞬時預(yù)應(yīng)力損失,錨固后還會因混凝土收縮徐變及預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛產(chǎn)生長期損失。

蓋梁預(yù)應(yīng)力的張拉控制應(yīng)力設(shè)計值一般按0.75倍預(yù)應(yīng)力鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值確定,扣除鋼絞線回縮、錨具變形以及墊板間接縫引起的預(yù)應(yīng)力損失后即為錨下有效應(yīng)力,錨下有效應(yīng)力再扣除管道摩阻損失和由分批張拉引起的混凝土彈性壓縮預(yù)應(yīng)力損失即為施工完成后的蓋梁實際有效預(yù)應(yīng)力,而該預(yù)應(yīng)力將直接對結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性起控制性作用。

考慮到施工期間上部梁板的架設(shè)方案,大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁一般采用分批張拉,而由之引起的混凝土彈性壓縮預(yù)應(yīng)力損失計算值與施工誤差占比較小,可以忽略不計;錨固瞬時損失根據(jù)不同的錨具產(chǎn)品和施工質(zhì)量會有所偏差,施工時可對錨下有效預(yù)應(yīng)力進行監(jiān)測,通過調(diào)整張拉力,將錨下有效應(yīng)力的誤差控制在規(guī)范[4]容許范圍5%以內(nèi)。下面再來看下管道摩阻損失對大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的影響。

管道摩阻損失主要分為管道偏差預(yù)應(yīng)力損失和管道彎曲預(yù)應(yīng)力損失,管道直線部分因施工震動和預(yù)應(yīng)力筋自重下?lián)?預(yù)應(yīng)力筋與管道內(nèi)壁有實際接觸,張拉預(yù)應(yīng)力筋時兩者存在相對滑動就會產(chǎn)生摩阻力,這部分預(yù)應(yīng)力損失即為管道偏差預(yù)應(yīng)力損失;對于管道彎曲部分,還存在著預(yù)應(yīng)力筋對管道內(nèi)壁徑向壓力所產(chǎn)生的摩阻力,這部分預(yù)應(yīng)力損失稱為管道彎曲預(yù)應(yīng)力損失,并隨著預(yù)應(yīng)力筋彎曲角度的增加而增加。

蓋梁預(yù)應(yīng)力筋實際布設(shè)時因施工振搗等原因可能出現(xiàn)定位偏差,造成鋼束布設(shè)線形與設(shè)計方案有所出入,預(yù)應(yīng)力管道的摩阻損失跟施工質(zhì)量密切相關(guān)。林亨等[5]調(diào)研了國內(nèi)文獻期刊關(guān)于預(yù)應(yīng)力塑料波紋管道摩阻系數(shù)的取值,共提取了40組數(shù)據(jù),根據(jù)擬合的概率統(tǒng)計模型,將塑料波紋管實測管道摩阻系數(shù)歸納如表1所示。

表1 塑料波紋管管道摩阻系數(shù)

4 算例分析

4.1 參數(shù)及模型

蓋梁采用C50混凝土,共布設(shè)了18根預(yù)應(yīng)力鋼束,預(yù)應(yīng)力鋼束采用Φs15.2低松弛高強度鋼絞線,抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa,波紋管采用塑料波紋管。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)T梁的架設(shè)方案預(yù)應(yīng)力分兩次張拉。蓋梁鋼束布置如圖4所示,下部結(jié)構(gòu)Midas Civil有限元單元劃分模型如圖5所示。

圖4 蓋梁鋼束布置圖

圖5 下部結(jié)構(gòu)有限元模型

4.2 計算分析

蓋梁采用A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進行設(shè)計,按《公預(yù)規(guī)》第6.3.1條規(guī)定,正常使用極限狀態(tài)頻遇組合截面上下緣拉應(yīng)力不得大于0.7ftk,考慮到蓋梁實際摩阻損失的不確定性,我們采用偏保守的測試值進行計算,并將張拉應(yīng)力控制值按最不利錨下有效應(yīng)力進行折減,成橋狀態(tài)下主要控制指標(biāo)墩頂位置蓋梁的截面上緣拉應(yīng)力和抗彎承載力計算結(jié)果如表2所示。

表2 大懸臂蓋梁成橋狀態(tài)主要計算指標(biāo)(最不利預(yù)應(yīng)力損失工況)

將表2模型的張拉控制應(yīng)力、管道摩阻系數(shù)調(diào)整為規(guī)范建議取值,則有正常設(shè)計工況下的墩頂位置蓋梁截面上緣拉應(yīng)力和抗彎承載力計算結(jié)果如表3所示。

表3 大懸臂蓋梁成橋狀態(tài)主要計算指標(biāo)(正常預(yù)應(yīng)力損失工況)

將表3模型的橋面鋪裝加鋪3cm瀝青混凝土,并將活載提高20%,則有考慮遠期鋪裝和車輛超載工況下的墩頂位置蓋梁截面上緣拉應(yīng)力和抗彎承載力計算結(jié)果如表4所示。

表4 大懸臂蓋梁成橋狀態(tài)主要計算指標(biāo)(橋面加鋪和超載工況)

由表2和表3可以看出:

(1)蓋梁的預(yù)應(yīng)力損失對結(jié)構(gòu)本身的抗彎承載力強度是有利的。

(2)同等預(yù)應(yīng)力鋼束布設(shè)情況下,頻遇組合下按正常預(yù)應(yīng)力損失工況計算所得墩頂有0.67MPa壓應(yīng)力儲備,同一位置按最不利預(yù)應(yīng)力損失工況計算則產(chǎn)生了1.02MPa的拉應(yīng)力,相當(dāng)于考慮了最不利預(yù)應(yīng)力損失,墩頂截面附加產(chǎn)生了1.69MPa的拉應(yīng)力。

由表3和表4可以看出:考慮了橋面遠期加鋪和超載20%的影響,頻遇組合下墩頂截面應(yīng)力由0.65MPa壓應(yīng)力變成了0.16MPa的拉應(yīng)力,相當(dāng)于墩頂截面附加產(chǎn)生了0.81MPa的拉應(yīng)力。

現(xiàn)行規(guī)范頻遇組合下的預(yù)應(yīng)力蓋梁的拉應(yīng)力限值為1.855MPa,如考慮了最不利預(yù)應(yīng)力損失和遠期荷載的影響,則會附加產(chǎn)生約2.5MPa的拉應(yīng)力,因此建議大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁按A類構(gòu)件設(shè)計時,除滿足規(guī)范對A類構(gòu)件相關(guān)驗算要求外,加強成橋狀態(tài)頻遇組合的截面上下緣應(yīng)力控制要求,可按0.5MPa壓應(yīng)力儲備來控制。

5 結(jié)論和建議

結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的安全富余度和蓋梁施工時可能存在的預(yù)應(yīng)力損失,建議如下:

(1)大懸臂蓋梁的承載能力極限狀態(tài)安全富余度建議不小于10%。

(2)對于按A類構(gòu)件計算的大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁,建議將頻遇組合正截面抗裂驗算允許出現(xiàn)小于0.7ftk拉應(yīng)力,提高要求至頻遇組合正截面上下緣不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力且預(yù)留0.5MPa的壓應(yīng)力儲備。

(3)大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁管道摩阻損失是預(yù)應(yīng)力損失的重要組成,建議參建單位對同一工地同一施工條件下的管道摩阻系數(shù)進行實際測定,為設(shè)計參數(shù)取值提供依據(jù)。

(4)建議對大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的張拉端錨下有效應(yīng)力進行逐根監(jiān)測,確保蓋梁錨下有效預(yù)應(yīng)力與設(shè)計值一致。