预应力混凝土连续箱梁钢束效应分析及调束

罗雅芳

(广州市设计院集团有限公司,广东 广州 510620)

预应力混凝土连续箱梁因其具有整体性好、结构刚度大、行车平顺性好、造型美观、便于养护等优点,在我国桥梁建设中被广泛运用。桥梁设计的主要目标为结构抗力大于结构内力,一般进行桥梁设计时,桥梁跨径、截面尺寸、二期恒载、活载已初步确定,即结构外荷载内力已初步确定,影响结构抗力的主要因素是钢束内力,因此配束成为桥梁设计的重点。预应力在超静定连续梁中产生次内力,计算表明钢束次效应占主效应的比值往往较大,分析各类型预应力钢束主效应、次效应的分布及比例关系,合理优化钢束配置,达到安全可靠、经济合理的要求。

1 工程概况

支架现浇施工的预应力钢筋混凝土变截面连续梁桥,按全预应力混凝土构件设计。桥梁跨径为(42+70+42)m,主梁为单箱双室变截面箱梁,全宽12.5 m,梁底宽7.5 m,两侧悬臂各长2.5 m;桥梁中支点处梁高4.2 m,跨中梁高2 m,梁高从支点到跨中采用二次抛物线变化,梁高变化段沿桥梁纵向长度为32.75 m;箱梁腹板厚为0.45～0.7 m,顶板厚为0.25～0.45 m,底板厚为0.24～0.44 m。箱梁混凝土强度为C50。

主梁为三向预应力结构,设置纵向、横向、竖向预应力束。纵向预应力钢筋采用高强度、低松弛钢绞线,其标准强度fpk=1 860 MPa,弹性模量Ep=1.95×105MPa,单根钢绞线公称直径15.2 mm,公称面积140 mm2,预应力钢束均采用两端张拉。

2 钢束次内力特点

(1)连续梁为超静定结构,由于预加力对超静定梁引起的结构变形受到支座的约束,将产生支座次反力,次反力又引起次内力。

(2)对于连续梁而言次内力包括次弯矩和次剪力,由于次内力是因多余约束作用产生的,所以其在构件分布上有一个重要特点:次弯矩沿构件轴线分布是线性的,次剪力沿构件轴线分布是常数分布[1]。

(3)根据次弯矩沿构件轴线性分布,可由次反力求出梁内次弯矩,次反力越小,梁内次弯矩越小,反之梁内次弯矩越大。

3 midas Civil计算模型

将主梁离散为62个单元,截面高度以实际线型模拟,支点处以一般支承模拟支座。施工阶段为满堂支架、结构现浇、腹板束加载、顶底板束加载、二期恒载、成桥收缩徐变六个步骤。模型荷载输入见表1。

表1 模型荷载

初步配束及结构验算如表2所示。

表2 钢束初步配置表

模型配置腹板束F、底板短束B、顶板通长束TT、中支点顶板短束T四种,初步配束情况见图1。

图1 钢束布置示意图(单位:cm)

按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[2]、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)[3]进行结构验算,控制截面抗弯承载力验算、作用频遇组合应力、作用标准组合应力见表3。

表3 初步配束验算结果(弯矩使上缘受拉为负,压应力为负)

由表3可知,结构验算满足规范要求。其中中支点截面内力及应力状态较合理;跨中截面抗弯安全系数2.13,富余较大,作用标准组合最大应力为-14.4 MPa,接近应力限值-16.2 MPa。按经济合理的要求,跨中截面钢束有优化空间,本模型钢束优化目标:保持中支点应力基本不变,降低中跨跨中截面上、下缘压应力。

4 钢束次效应分析及钢束优化

4.1 钢束次效应分析及优化方法

现以8束各类型钢束输入midas模型,通过分析各类型钢束的主效应、次效应分布及比例关系,判断各类型钢束对截面应力的影响程度,见表4～表6。

表4 各类型钢束次反力(向上为正) 单位:kN

表5 各类型钢束主应力(受压为负) 单位:MPa

表6 各类型钢束次应力(受压为负) 单位:MPa

(1)腹板束、底板短束在中支点产生负次反力,梁体次弯矩使梁体下缘受拉;顶板束在中支点产生正次反力,梁体次弯矩使梁体上缘受拉。

(2)腹板束F、底板短束B在中跨跨中截面下缘产生较大压应力,顶板通长束TT中跨跨中截面上缘产生较大压应力。

(3)腹板束F次应力在中支点截面上缘体现为压应力,对主应力起叠加作用,次应力占主应力的14%;钢束次应力在中跨跨中截面下缘体现为拉应力,对主应力起抵消作用,次应力占主应力的36%。减少腹板束F数量,中支点截面上缘钢束压应力减小幅度较大,中跨跨中截面下缘压应力减小幅度较小。

(4)底板短束B次应力在中支点截面上缘体现为压应力,对主应力起叠加作用;钢束次应力在中跨跨中截面下缘体现为拉应力,对主应力起抵消作用,次应力占主应力的41%。减少底板短束B数量,中支点截面上缘钢束压应力减小幅度较小,中跨跨中截面下缘压应力减小幅度较大。

(5)中支点顶板短束T次应力在中支点截面上缘体现为拉应力,对主应力起抵消作用,次应力占主应力的15%;钢束次应力在中跨跨中截面上缘体现为拉应力,在中跨跨中截面下缘体现为压应力。减少顶板短束T数量,中支点截面上缘应力减小幅度较大,中跨跨中截面上、下缘压应力减小幅度较小。

(6)顶板通长束TT次应力在中支点截面上缘体现为拉应力,对主应力起抵消作用,次应力占主应力的35%;钢束次应力在中跨跨中截面下缘体现为压应力,且数值较大,在上缘体现为拉应力,对主应力起抵消作用,次应力占主应力的91%,几乎全部抵消。减少顶板通长束TT数量,中支点截面上缘应力减小幅度较小,中跨跨中截面上缘压应力减小幅度较小、下缘压应力减小幅度较大。

综上,根据本模型钢束优化目标,保持中支点应力基本不变,同时降低中跨跨中截面上、下缘压应力的方法优选为:减少底板短束B数量,在减少通长束TT数量的同时增加短顶板束T数量。

4.2 钢束优化及结构验算

优化后的钢束配置如表7。

表7 钢束优化后配置表

按JTG D60—2015[2]、JTG 3362—2018[3]进行结构验算,控制截面抗弯承载力验算、作用频遇组合应力、作用标准组合应力如表8所示。

表8 钢束优化后验算结果(弯矩使上缘受拉为负,压应力为负)

由表7可知,优化后钢束总重比优化前节省9 364 kg,更为经济。

由表8可知,钢束优化后结构验算仍满足规范要求。相较于优化前,钢束优化后中支点截面抗弯安全系数、截面应力值变化不大,中跨跨中截面抗弯安全系数、截面压应力值均减小,受力状况更合理。

5 结 语

钢束次内力使得连续梁的配束具有多样性。利用有限元软件对预应力混凝土连续箱梁进行建模计算,比较分析各类型钢束的主效应、次效应间的分布及比例关系,判断各类型钢束对截面应力的影响程度,根据调束目标对钢束进行了优化调整,可为该类桥梁配束提供参考。