斜交异形大悬臂预应力盖梁力学性能分析

2019-05-18邱俊峰

福建交通科技 2019年2期

■邱俊峰

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

高速公路桥梁建设过程中，为缩短建设周期及节约建设成本，上部结构通常采用预制梁形式，下部结构常见有钢筋混凝土盖梁配柱式墩或薄壁墩。此类桥梁在受到道路交叉、桥下净空等特殊地形条件限制时，普通下部结构将无法满足墩位布设及结构受力要求，一般均需采用大悬臂预应力混凝土盖梁。

文献[1-4]均对建立合理的正交大悬臂预应力盖梁的计算模型进行了探讨，为该类盖梁的设计计算提供了有益的参考。天津市政设计研究院的李海东等[5]，分析了上部结构为小箱梁的预应力盖梁在不同的施工步骤下的应力状态，优化了预应力盖梁的配束。此外，还有其他一些文献均对大悬臂预应力混凝土盖梁的设计计算提供了很好的思路，但是对于桥梁在斜交情况下，大悬臂预应力盖梁受力情况尚未有研究。

本文结合福建省长平高速公路榕岭大桥1号墩受桥下交叉道路影响，由三柱斜交钢筋混凝土盖梁变更为两柱斜交预应力混凝土大悬臂盖梁，重点分析了该类型盖梁的设计要点及受力特点。

1 结构特点

榕岭大桥桥宽为 16.5m(左幅)＋0.5m(分隔带)+16.5m(右幅)，上部为40m预应力混凝土连续T梁，受桥下乡道及省道影响，斜交23°布设，要求两幅墩中央净距10m，需采用斜交大悬臂预应力盖梁配双柱墩形式，如图1所示。

2 计算模型简介

2.1 盖梁构造及钢束布置

盖梁悬臂长5.7m，宽2.4m，根部高2.4m，采用C50高强混凝土，预应力钢束采用Фs15.2高强度低松弛钢绞线。基于上部传递的恒载及活载，经试算，需张拉N1(6Фs15.2-9)、 N2(6Фs15.2-9)钢束，钢束布置见图 2。

图1 桥墩布置图(单位：cm)

图2 钢束布置图(单位：cm)

斜交异形大悬臂预应力盖梁端部为不规则形状，如图2钢束平面布置图所示，斜交23°角布设，张拉锚具布置要求端部按齿块阶梯状布置，应力分布较为复杂，需借助精细化的有限元模拟其受力状态，以指导设计。

2.2 盖梁施工步骤

文献[5]中通过分析不同的架梁顺序，认为由外侧向内侧对称架设小箱梁可保证架设过程中盖梁截面内应力相对较小。结合本工程盖梁，通过对不同张拉钢束及架梁顺序的计算结果对比，拟定盖梁施工步骤如下：

(1)立模浇筑盖梁混凝土，待混凝土强度及弹性模量达到设计值的100%后，张拉N1或N2钢束并灌浆；

(2)依次对称架设前孔上部T梁；

(3)依次对称架设后孔上部T梁；

(4)移走架桥机等施工临时荷载，张拉N2或N1钢束并灌浆；

(5)体系转换，完成桥面系施工；

(6)10年收缩徐变；

(7)运营阶段。

3 盖梁力学性能分析

3.1 盖梁受荷全过程计算

为分析方便，本文采用桥梁博士V3.5程序按正交盖梁建立平面杆系有限元模型，模拟盖梁在施工与运营期间的受力状态。

首先分析不同的钢束张拉顺序对盖梁内应力状态的影响。盖梁主要承受上部结构传递的恒载及活载，因此预应力钢束的布置及张拉顺序与上部荷载的加载时间及荷载值的大小紧密相关。在上部预制T梁还未架梁前，若钢束一次性张拉到位或分批张拉数量及顺序不合理，均有可能导致盖梁下缘应力超标，盖梁下缘开裂，因此有必要分析不同的钢束张拉方式下盖梁施工及运营全过程的应力状态。本文选取了三种张拉模型，模型一为架梁前一次性张拉N1、N2钢束；模型二为先张拉N1钢束，架梁结束后张拉N2钢束；模型三为先张拉N2钢束，架梁结束后张拉N1钢束，盖梁施工全过程上下缘最大及最小应力状态对比如图3所示。

图3 盖梁上下缘应力变化图

由图3可见，在钢束张拉阶段，模型一盖梁上缘最大压应力为9.89MPa，下缘最大拉应力为-3.45MPa，模型二下缘最大拉应力为-1.91MPa，根据桥规[6]第6.3、7条规定，拉应力均已超过允许值，模型一最大压应力已接近规范允许值，而在上部荷载加载后，模型一、二、三上下缘应力分布基本一致。计算结果表明，模型一导致盖梁下缘过早开裂，上缘则受压过大；而模型二上缘应力虽未超标，但下缘在张拉N1时拉应力超标，模型一、二盖梁均在施工阶段产生永久损伤。针对模型一、二盖梁过早开裂问题，调整了钢束的张拉批次，在架梁前先张拉下层钢束N2，以减小张拉时盖梁上缘的压应力及下缘的拉应力，从计算结果来看，模型三最不利工况发生第四施工阶段架梁结束并移除架桥机，此时上部T梁自重已全部传递至盖梁，张拉第二批钢束N1，盖梁上缘最大压应力为7.92MPa，下缘拉应力为-1.04MPa，均在合理范围内。

3.2 三维实体模型有限元分析

钢筋混凝土盖梁一般可按桥规[6]第8.2条规定进行设计计算。但随着盖梁悬臂加长，柱顶截面内力剧增，梁高相应增加，进入深梁范畴[7-9]，正截面变形不再符合平截面假定，受力机理与普通梁不同，规范计算方法不再适用。本工程大悬臂盖梁跨高比l/h为1.9，属于预应力混凝土深受弯盖梁，且桥梁呈斜交布置，受力较为复杂，传统的二维计算方法无法真实反馈盖梁受力状态，本文借助大型有限元分析软件ANSYS建立三维实体有限元模型模拟盖梁受力状态。混凝土盖梁、圆柱墩采用Solid95实体单元模拟；预应力筋采用Link8杆单元模拟，此单元可承受轴向力而不能受弯，通过输入初应变施加预应力，混凝土单元划分尺寸控制在20cm内。建立斜交大悬臂预应力盖梁有限元实体模型如图4。

图4 盖梁实体有限元模型图

图5 运营阶段最不利工况正应力分布图(单位：MPa)

图6 运营阶段最大主拉应力分布图(单位：MPa)

为分析斜交大悬臂预应力盖梁运营阶段力学性能，选取了运营阶段最不利工况下的支座荷载，对有限元实体模型进行加载分析。盖梁正应力分布如图5，最大主拉应力如图6，最不利荷载工况下盖梁上下缘仍处于受压状态。最大压应力出现在张拉区域，最小压应力出现在斜交较长悬臂截面变化处下缘，为-0.7602MPa，最大主拉应力出现在斜交较长悬臂张拉端附近，为2.864MPa。张拉端呈齿块状阶梯形状，该处应力集中，设计时应凸出挡块，以避免削弱挡块受力，同时应补强该区域配筋，以改善受力状态。

图7 盖梁典型截面正应力分布图(单位：MPa)

为分析斜交盖梁悬臂部分应力变化情况，提取了2个截面的正应力分布如图7所示。边支座截面沿梁高及梁横向应力变化显著，围绕右侧应力集中处环向分布；悬臂根部截面上下缘压应力较小，梁高中部压应力较大，应力等值线间距不等，截面上下缘等值线分布较密集，中部则分布较稀疏，沿盖梁横向等值线存在一定程度弯曲。分析结果表明，斜交异形盖梁悬臂截面应力分布较为复杂，无论是端部、根部截面应力分布均不符合平截面假定，有必要进行有限元实体模拟受力状态，以指导设计。

对比二维杆系与三维实体模型在运营阶段的最不利受力情况，计算结果如下表1所示。分析发现，除上缘墩顶最小应力外，其余应力值较为接近，实体模型上缘墩顶压应力储备为二维杆系模型的2.6倍，说明采用二维杆系模型计算结果偏于保守。