連續高架大懸臂蓋梁的安全度指標研究

何宇健,沈理斌

(嘉興市交通投資集團有限責任公司 嘉興市 314001)

0 引言

近年來,高速橋梁多有與現狀國省道共線的情況,共線橋梁型式的選擇,既要考慮與周邊環境相協調,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準化設計,并盡可能減少占地、預留橋下道路拓寬空間。鑒于此,橋梁上部一般采用預制拼裝結構,而下部結構一般采用少墩柱的大懸臂蓋梁方案。現階段新建高速公路普遍以雙向六車道為主,根據以往工程案例的調查走訪,大懸臂蓋梁的最大懸挑長度可達13m,如何在兼顧經濟性的前提下確保蓋梁結構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,為蓋梁計算參數取值和設計提供借鑒;榮向波等[2]結合大挑臂蓋梁的桿系結構和實體結構計算結果,為同類蓋梁設計提供參考。此類研究多集中在如何對大懸臂蓋梁進行設計計算,而對蓋梁的安全度指標少有提及,蓋梁作為橋梁結構中承上啟下的重要構件,設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是十分必要的。

1 工程概況

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

圖1 連續高架橋上下部結構示意圖(單位:cm)

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

2 上部結構安全度指標探析

橋梁結構設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、結構抗力計算分析的不確定性以及施工的不確定性等,結構設計一般都會預留一定安全富余來包絡這些不確定性。現行規范采用的是基于概率統計的可靠性設計方法,是通過可靠一致性最佳的原則確定荷載分項系數,最終在規定使用年限內承載能力極限狀態和正常使用極限狀態都能保證結構安全。

蓋梁的安全度與橋梁上部結構息息相關,從結構破壞的后果來看,下部結構破壞造成的經濟損失通常大于上部結構的破壞。因此,下部結構的安全系數不應小于上部結構,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構安全度。目前高速公路上常用的預裝拼裝上部結構主要有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構設計圖紙,根據《公預規》[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,具體計算結果如圖2、圖3所示。

圖2 上部結構承載能力設計值與抗力值

圖3 上部結構承載能力安全系數

高速橋梁預制拼裝上部結構的設計采用多項指標控制,包括施工階段和運營階段結構的應力、強度、變形等要素,根據統計,在應力和剛度滿足規范要求的前提下,上部結構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,單從上下部結構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 大懸臂預應力蓋梁施工期間的預應力損失分析

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

蓋梁預應力的張拉控制應力設計值一般按0.75倍預應力鋼筋強度標準值確定,扣除鋼絞線回縮、錨具變形以及墊板間接縫引起的預應力損失后即為錨下有效應力,錨下有效應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應力損失即為施工完成后的蓋梁實際有效預應力,而該預應力將直接對結構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方案,大懸臂預應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應力損失計算值與施工誤差占比較小,可以忽略不計;錨固瞬時損失根據不同的錨具產品和施工質量會有所偏差,施工時可對錨下有效預應力進行監測,通過調整張拉力,將錨下有效應力的誤差控制在規范[4]容許范圍5%以內。下面再來看下管道摩阻損失對大懸臂預應力蓋梁的影響。

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

蓋梁預應力筋實際布設時因施工振搗等原因可能出現定位偏差,造成鋼束布設線形與設計方案有所出入,預應力管道的摩阻損失跟施工質量密切相關。林亨等[5]調研了國內文獻期刊關于預應力塑料波紋管道摩阻系數的取值,共提取了40組數據,根據擬合的概率統計模型,將塑料波紋管實測管道摩阻系數歸納如表1所示。

表1 塑料波紋管管道摩阻系數

4 算例分析

4.1 參數及模型

蓋梁采用C50混凝土,共布設了18根預應力鋼束,預應力鋼束采用Φs15.2低松弛高強度鋼絞線,抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa,波紋管采用塑料波紋管。根據上部結構T梁的架設方案預應力分兩次張拉。蓋梁鋼束布置如圖4所示,下部結構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 下部結構有限元模型

4.2 計算分析

蓋梁采用A類預應力構件進行設計,按《公預規》第6.3.1條規定,正常使用極限狀態頻遇組合截面上下緣拉應力不得大于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,并將張拉應力控制值按最不利錨下有效應力進行折減,成橋狀態下主要控制指標墩頂位置蓋梁的截面上緣拉應力和抗彎承載力計算結果如表2所示。

表2 大懸臂蓋梁成橋狀態主要計算指標(最不利預應力損失工況)

將表2模型的張拉控制應力、管道摩阻系數調整為規范建議取值,則有正常設計工況下的墩頂位置蓋梁截面上緣拉應力和抗彎承載力計算結果如表3所示。

表3 大懸臂蓋梁成橋狀態主要計算指標(正常預應力損失工況)

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力和抗彎承載力計算結果如表4所示。

表4 大懸臂蓋梁成橋狀態主要計算指標(橋面加鋪和超載工況)

由表2和表3可以看出:

(1)蓋梁的預應力損失對結構本身的抗彎承載力強度是有利的。

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

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力由0.65MPa壓應力變成了0.16MPa的拉應力,相當于墩頂截面附加產生了0.81MPa的拉應力。

現行規范頻遇組合下的預應力蓋梁的拉應力限值為1.855MPa,如考慮了最不利預應力損失和遠期荷載的影響,則會附加產生約2.5MPa的拉應力,因此建議大懸臂預應力蓋梁按A類構件設計時,除滿足規范對A類構件相關驗算要求外,加強成橋狀態頻遇組合的截面上下緣應力控制要求,可按0.5MPa壓應力儲備來控制。

5 結論和建議

結合上部結構的安全富余度和蓋梁施工時可能存在的預應力損失,建議如下:

(1)大懸臂蓋梁的承載能力極限狀態安全富余度建議不小于10%。

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

(3)大懸臂預應力蓋梁管道摩阻損失是預應力損失的重要組成,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進行實際測定,為設計參數取值提供依據。

(4)建議對大懸臂預應力蓋梁的張拉端錨下有效應力進行逐根監測,確保蓋梁錨下有效預應力與設計值一致。