PC连续刚构桥梁底合理曲线线形研究

2011-04-28龙佩恒张文学

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2011年2期

龙佩恒，刘靖，张文学

(1.北京建筑工程学院土木与交通工程学院，北京 100044;2.保阜高速公路筹建处，河北保定 071000;3.北京工业大学土木学院，北京 100022)

0 引言

PC连续刚构桥常采用变截面箱形梁，为满足桥梁结构力学性能的要求，一般梁底曲线以抛物线线形为主。但梁底曲线次数的选择对箱梁合龙段施工控制有较大的影响，当梁底曲线次数过低，张拉合龙段底板长束时可能导致底板下缘和腹板内侧受拉开裂［1-4］。为此，以黑崖沟2号桥为背景工程，针对PC连续刚构桥梁底曲线次数对箱梁受力状态的影响开展理论分析与试验研究，研究结论可供同类桥梁设计借鉴。

1 底板曲线次数对箱梁应力状态的影响

表1 各种梁底曲线参数表

1.1 梁底曲线次数的选择

背景工程黑崖沟2号特大桥为保阜高速公路跨越黑崖沟的一座PC连续刚构桥，桥跨组合(70+3×127+70)m。主梁为单箱单室预应力混凝土直腹板箱形梁，主梁根部梁高7.3 m，跨中部梁高3 m，箱梁高度按1.8次抛物线变化。保持支点与跨中梁高不变，按抛物线y=axα+b分别选择不同的底板曲线次数，参数见表1。

1.2 箱梁空间局部应力分析

采用Solid45实体单元模拟混凝土，Link8单元模拟预应力钢筋，建立梁底曲线次数分别为1.5、1.6、1.7、1.8、1.9 和 2.0 的 6 个数值模型(图 1)，分析全桥合龙后张拉底板长束时距跨中左右各8 m范围内箱梁各截面底板上下缘横向应力及腹板内侧竖向应力分布(图2)，截面A-A、B-B应力分布规律如图3～图6所示，各截面应力峰值见表2～表4。

图1 箱梁空间局部应力分析模型

图2 箱梁应力状态的截面与部位(单位:m)

由图3～图6和表2～表4可以看出:底板上缘横向拉应力峰值位于－3.05～－2.0和2.0～3.05这两个区域;底板下缘横向拉应力峰值位于－2.0～2.0区域，腹板内侧竖向拉应力峰值出现在腹板下端。随着底板曲线次数的降低，局部应力呈增大的趋势，采用1.5次抛物线时底板上缘、下缘和腹板竖向拉应力达到了2.39、2.71、3.46 MPa。拉应力超过了混凝土极限抗拉强度，易导致底板与腹板混凝土拉裂。因此，建议在桥梁设计中，箱梁底板曲线次数不低于1.6次。

图3 A-A截面底板横向拉应力

图4 B-B截面底板横向拉应力

2 黑崖沟2号桥箱梁防裂设计分析

为防止张拉底板钢束导致底板和腹板出现纵向开裂问题，提出三种改进措施:方案一:跨中底板加劲方案(图7)，方案二:横向框架方案(图8)，方案三:实体隔板方案(图9)。

图5 A-A截面腹板竖向拉应力

图6 B-B截面腹板竖向拉应力

表2 底板下缘横向拉应力峰值 MPa

表3 底板上缘横向拉应力峰值 MPa

建立有限元分析模型，分析采用三种改进方案前后箱梁底板和腹板内侧局部应力分布情况，如图10～图13所示。表5～表6列出了箱梁跨中左右8 m范围内6个截面采取改善措施前后的箱梁截面底板上下缘和腹板内侧的最大应力情况。

由图10～图13可以看出，三种改进方案箱梁截面底板上下缘和腹板内侧的应力较改进前均有明显下降。

图7 跨中底板加劲方案(单位:cm)

图8 跨中横向框架方案(单位:cm)

图9 跨中实体隔板方案(单位:cm)

表4 腹板竖向拉应力峰值 MPa

由表5～表6中可以看出，跨中箱梁截面应力状态改善效果明显，随着远离跨中截面，各改进方案对底板上下缘和腹板内侧应力状态的改善作用逐渐趋于稳定。其中，实体隔板方案对底板和腹板总体应力状态的改善效果最佳，最终选取实体隔板方案为实际工程的实施方案。

3 防裂设计的实桥测试结果

图10 不同方案A-A截面底板横向拉应力

图11 不同方案B-B截面底板横向拉应力

图12 不同方案A-A截面腹板竖向拉应力

图13 不同方案B-B截面腹板竖向拉应力

黑崖沟2号桥防裂设计采用跨中设置实体隔板的设计方案，板厚30 cm。实桥测试截面选在B-B、FF、I-I截面埋设应力传感器，测试合龙段张拉底板钢束后测点应力状态。表7列出了改进前后理论计算值与实测值的比较(表7中①跨中未设实体隔板;②跨中设隔板后;③实测值)。

由跨中设置实体隔板前后的理论值与实测值的比较可以看出，通过跨中设置实体隔板可有效地改善跨中区段箱梁底板、腹板的受力状态，此防裂设计方案实用可靠，可供类似工程借鉴。

图14 箱梁截面拉应力较大区域(单位:cm)

表5 箱梁底板上下缘最大拉应力 MPa

表6 箱梁腹板最大拉应力 MPa

4 结论

通过变截面PC连续刚构桥梁底曲线次数对跨中区段箱梁受力状态的理论与试验研究得出如下结论:

(1)合龙段张拉底板预应力钢束时，跨中附近区段箱梁底板横向和腹板竖向将产生较大的拉应力，随着底板曲线次数的降低，拉应力呈增大的趋势。其中，1.5次抛物线底板上缘、下缘和腹板拉应力达到了2.39、2.71、3.46 MPa，极易导致箱梁底板和腹板纵向裂缝。为防止张拉底板预应力钢束导致底板和腹板开裂问题，PC连续刚构桥梁底曲线次数易选择1.6次以上的抛物线线形。

(2)跨中截面设置加劲隔板可有效地解决曲线型底板箱梁跨中区段局部应力过大问题，其中，实体横隔板方案效果最佳。