双向预应力混凝土箱梁桥顶板纵向抗裂分析

杨建奎

(北京市市政专业设计院股份公司，山西分公司 030000)

双向预应力混凝土箱梁桥顶板纵向抗裂分析

杨建奎

(北京市市政专业设计院股份公司，山西分公司 030000)

本文以南京秦淮河特大桥主桥为例，利用桥梁博士以及ANSYS10.0分别计算合拢段跨中截面顶板底缘在各种作用下的纵、横向应力，然后根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》和Kupfer&Gerstle准则、《混凝土结构设计规范》推荐的简化判别准则分别进行抗裂验算。从理论上指出了采用双向或三向预应力的箱梁桥并不适合采用现行《桥规》中的最大拉应力强度准则。

目前，我国桥梁设计规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 62-2004）基于最大拉应力准则，按照第一主拉应力进行混凝土抗裂验算。实际上，大跨度预应力混凝土箱梁桥一般在顶板同时施加了较大的纵向、横向压应力，甚至在施工过程中张拉横向预应力束会产生较大的剪应力，使构件处于三向应力状态。因此对于此类桥梁，规范并不适用。

1.研究对象

选取南京秦淮河特大桥主桥为算例，采用C50混凝土。该桥为64m+112m+64m的三跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥，为上下行分离的双幅桥，每幅宽16.75m。上部结构采用三向预应力体系。主梁采用单箱单室截面，墩顶梁高6.384m，跨中梁高2.584m，沿跨径方向按1.5次抛物线变化，变化长度53.5m；底板厚跨中0.32m、主墩顶1m，变化方式和梁高变化方式相同。主墩顶在箱梁内设2m宽横隔梁。腹板1～7号块宽度80cm，9～16号块宽度60cm，腹板宽度渐变在8号块内完成，其余参数见图1。

图1 箱梁横截面尺寸

2.合拢段顶板应力计算

首先，采用桥梁博士V3.0计算在纵向预应力束、自重和二期恒载、车道荷载和温度荷载四种工况下的纵向压应力。模型如图2所示。计算所得合拢段跨中截面顶板的纵向压应力为5.4MPa。

图2 全桥结构三维模型及工作钢束图

其次，采用ANSYS10.0进行横向应力计算。对合拢段及相邻5个节段（11#～16#块，其中16#块为合拢段）建立三维实体有限元模型，如图3所示，箱梁混凝土采用Solid45单元，横向预应力束选用Link8单元，采用实体力筋法（节点耦合法）模拟预应力效应。对左断面的所有节点进行UX、UY、UZ三个自由度的约束，对右断面所有节点的的UX、UY进行约束。分别计算在横向预应力束、梁体自重和二期恒载、温度梯度和车辆活载四种工况下的应力分布，并提取中跨合拢段顶板底缘的横向应力，结果见表1。

图3 梁段实体模型

表1 跨中截面应力汇总（单位∶MPa）

3.不同准则下的顶板安全性预测

1）根据Kupfer & Gerstle准则[3]

将计算得到的顶板底缘的纵向压应力值、横向最大拉应力值以及混凝土抗拉强度标准值和设计值带入Kupfer & Gerstle准则，有：

双向应力下的抗拉强度标准值

由此可见，顶板的横向拉应力计算值大于按Kupfer & Gerstle准则而得的抗拉强度，因而按此准则可以预测顶板将开裂。

2）按照《混凝土结构设计规范》推荐公式预测顶板安全性[1]

顶板横向拉应力的计算值大于按《混凝土结构设计规范》推荐公式而得的抗拉强度标准值和设计值，合拢段跨中截面顶板底缘中部位置出现开裂的概率较大。

3）按照桥涵设计规范推荐准则预测顶板安全性[2]

三维有限元计算得到的跨中截面顶板底缘中间点的最大横向拉应力为2.58MPa，C50混凝土抗拉强度标准值、设计值分别为2.65MPa与1.83MPa。此处出现纵向开裂的概率没有按Kupfer & Gerstle准则和《混凝土结构设计规范》推荐公式进行预测出现的概率大。

4.结论

该桥在现行《桥规》开裂判别准则下处于一定的安全范围，但在Kupfer & Gerstle准则和《混凝土结构设计规范》推荐公式判别准则下则是极不安全的，出现开裂的概率非常大。因此，现行桥梁设计规范采用的抗裂设计理论并不适用于双向预应力箱梁桥，而应选用更符合其受力特点的双轴应力强度准则。

[1]中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范 (GB 50010-2010)[S].北京∶中国建筑工业出版社,2010.

[2]中华人民共和国交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)[S].北京∶人民交通出版社,2004.

[3]过镇海.混凝土的强度和本构关系-原理与应用[M].北京∶中国建筑工业出版社, 2004.

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1007-6344（2015）06-0324-01