两座预应力混凝土连续梁桥的设计分析

2010-07-23马碧波李光凤

四川建筑 2010年2期

马碧波,周艺,李光凤

(西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

1 设计简介

1.1 天津市静王立交

天津市静王立交主线 7#～10#墩主桥上跨津沧高速公路,设计荷载:公路 —Ⅰ级。桥宽 15 m,布置跨径(35+50+35)m,为等截面箱形预应力混凝土连续梁。梁高 2.5 m,为主跨的 1/20,采用单箱三室截面,悬臂长 2 m,腹板中心线间距 3.6 m,顶板厚 25cm,底板厚 20cm,跨中腹板正常段厚度40cm,支点段加厚至 60cm,以提高抗剪能力和满足双排钢束锚固布置需要。主梁采用支架现浇施工,分段施工,分段张拉。设置施工缝 2道。先施工中跨 50 m和两边跨靠近中间支点段 10 m(此处恒载作用下弯矩为零,由结构力学可知边跨弯矩零点距中支点的距离为L/5=10 m,L为主跨跨径),形成简支双悬臂结构,张拉腹板钢束 F 5～F 8并拆除中跨支架以尽量减少交通中断。然后浇筑两边跨剩余混凝土,张拉剩余腹板钢束 F 1～F 4,F 9～F 12。拆除边跨支架后张拉中间支点顶板束D1～D 2。主梁采用 C 50混凝土,腹板钢束采用9j15.24和 12j15.24预应力钢绞线,O V M15—9,O V M15—12锚具,每个腹板上横向布置 2束,纵向采用连接器在施工缝处接长。预应力钢束采用双向张拉,张拉控制应力0.72fpk。顶板局部短束采用 5j15.24,B M15—5体系。在顶板预留槽口处张拉,最后完成桥面二期铺装。

1.2 抗州至长兴高速公路

杭州至长兴高速公路主线 177#～181#墩主桥上跨东西大道,设计荷载:公路 —Ⅰ级。单幅桥宽 13.25 m,布置跨径为(27+33.8+31+27)m,为等截面箱形预应力混凝土连续梁。梁高 2.1 m,约为主跨的 1/16,采用单箱双室截面,悬臂长 1.75m,腹板中心线间距 4.65 m,顶板厚 25c m,底板厚 25cm,跨中腹板正常段厚度 45c m,支点段加厚至 65c m。主梁采用支架整体现浇,一次张拉成桥。双向张拉,张拉控制应力 0.72fpk,不设施工缝。主梁采用 C 50混凝土,腹板钢束采用12j15.24预应力钢绞线,每个腹板上横向布置 1束,同时设置顶板通长束和局部短束以及底板通长束,均采用12j15.24预应力钢绞线,O V M15—12锚具。在顶板和底板设置齿块,短束锚固于齿块上,最后完成桥面二期铺装。

2 计算分析

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD 62-2004)采用近似概率极限状态设计法,对上面两座连续梁按正常使用极限状态和承载能力极限状态进行计算分析和对比。其中正常使用极限状态以结构弹性理论为基础进行计算,承载能力极限状态以塑性理论为基础进行计算。对于正常使用极限状态给出短期荷载效应组合截面抗裂性计算结果 (一般以此项作为应力的控制),对于承载能力极限状态给出正截面抗弯承载力的计算结果(见图1～图 6)。

从图 1知,静王立交连续梁在荷载短期效应组合情况下,截面上下缘均处于完全受压状态(没有出现负值),上缘最小压应力 0.4 MPa,下缘最小压应力0.3MPa,属于全预应力混凝土构件。但是由于梁高为主跨的1/20,只配置了腹板钢束和顶板局部短束给调束带来较大的不便,造成整个梁段应力的分布不均匀,个别截面很难通过(如支点钢束弯起处)。值得注意的是由截面温度梯度荷载产生的跨中截面下缘拉应力达到 1.08MPa,而汽车荷载产生的拉应力也只有2.23 MPa。当然从图 2、图 3可以看出结构内力包络图比较逼近,此种配束方法比较节约材料,钢绞线 22.7 kg/m2,混凝土 0.75m3/m2。此桥的另一配束优点是考虑到长预应力钢束由于多次反弯引起的预应力损失 (这种损失通常很大)。计算结果显示跨中截面钢束F 5的预应力摩阻损失 σl1=158 MPa,由混凝土徐变引起的跨中主梁上拱值为 4.1mm,中间设置施工缝。钢束分段接长,同时方便了穿束、张拉和压浆等操作工艺,但桥梁在实际使用中容易出现施工缝处渗漏水的毛病,这也是其弊病之一。

从图 4可知杭长高速(27+33.8+31+27)m连续梁在荷载短期效应组合情况下,截面上下缘均处于完全受压状态,上缘最小压应力 0.7 MPa,下缘最小压应力 1.9 MPa,属于全预应力混凝土构件。由于梁高为主跨的 1/16,同时配置了腹板钢束、顶板通长束和局部短束、底板通长束使得整个梁段应力的分布比较均匀,截面调束容易通过,混凝土收缩徐变较小,材料强度得到充分利用。计算结果同时显示由截面温度梯度荷载产生的跨中截面下缘拉应力达到 0.98MPa,而汽车荷载产生的拉应力也只有 1.13MPa,由混凝土徐变引起的跨中主梁上拱值为 3.5mm。活载作用下应力变化范围较小,各个截面的安全系数趋于统一。但从图 5、图6可以看出内力包络图相差较远,此种配束方法比较耗费钢绞线材料,其用材指标为:钢绞线 25kg/m2,混凝土 0.74m3/m2。特别是跨中截面钢束 W1的预应力摩阻损失 σl1高达 433 MPa。另外近 120 m长的连续梁一次张拉到位也不易控制,尤其是钢束张拉伸长量与理论计算值相差较大。齿块的设置也是使得锚固构造复杂化。当然此法避免了施工缝带来的后患,使用安全性也比较稳定。

图1 静王立交短期荷载效应组合下截面正应力图

图2 静王立交承载能力极限状态最小弯矩及抗力

图3 静王立交承载能力极限状态最大弯矩及抗力

图4 杭长高速短期荷载效应组合下截面正应力图

图5 杭长高速承载能力极限状态最大弯矩及抗力

图6 杭长高速承载能力极限状态最小弯矩及抗力

3 设计体会

对于常规的等截面预应力混凝土连续梁,可以根据跨径布置情况,采取灵活的配束方式,上面两座连续梁互有优缺点,对于采用何种配束方法,除按结构受力计算确定外,都必须考虑实际施工和使用阶段的要求。(1)为了减少预应力损失,可以采用分段张拉接长的方式, 一次张拉长度不易超过 120 m。(2)考虑到活载偏载引起的约束扭转正应力影响,将活载横向分布系数乘以 1.15来计算。(3)为了减少连续梁的次内力,钢束线形可以参考确定活载作用下的吻合束线形。但实际的设计还是应该以束界为主作为控制。(4)主梁高度对钢束的布置影响很大,腹板的间距和总厚度对主梁抗剪影响很大,从而决定钢束的弯起位置,一般在恒载的零弯矩点处,束筋合力重心线应靠近该处截面中心线,施工缝也应尽量选择于此处设置。(5)考虑到剪力滞的影响和桥面板横向应力的限制,腹板的间距不易太大,同时应优先布置腹板束,且钢束应尽量靠近腹板布置。(6)新规范对温度应力的要求有严格的限制,在引起连续梁温度应力的诸温度荷载中,以截面温度梯度荷载最为不利,其产生的温度自应力和次应力应给予足够的重视。