基于葉溪河大橋的配索方案對比研究

舒 彬

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南 714000)

1 概述

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋常見的配索方式有兩種：一種是采用曲線預(yù)應(yīng)力筋,布置下彎索,由下彎索提供抗剪能力；另一種是取消下彎索,采用直線預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力共同抗剪。第一種布索方式,優(yōu)點是下彎索與梁體斜向主拉應(yīng)力方向一致,抵抗主拉應(yīng)力的效果很好,缺點是預(yù)應(yīng)力筋要從頂板橫向彎曲到腹板對應(yīng)的位置,再下彎,摩阻損失大,彎曲索法向會產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力,且很難錨固到截面邊緣,一般只能錨固到腹板側(cè)面專門設(shè)置的齒板上,對腹板橫向變形和局部應(yīng)力都有一定不利的影響。第二種布索方式主要依靠豎向縱向直線預(yù)應(yīng)力組合抵抗主拉應(yīng)力；通過調(diào)整豎向預(yù)應(yīng)力的大小,在理論上是可以完全克服主拉應(yīng)力的,受力簡單,用鋼量少且施工方便[1]；然而20世紀(jì)90年代以來采用這種方式的連續(xù)梁在腹板上出現(xiàn)了大量的斜裂縫[2],說明這種配索方式也存在缺陷?；谌~溪河大橋?qū)崪y和分析,對比兩種配索方案的預(yù)應(yīng)力損失對內(nèi)力的影響,綜合分析并提出合理的配索方式。

2 直線+豎向配索方案的理論分析

根據(jù)箱梁優(yōu)化理論可知[1]：腹板的主拉應(yīng)力可以通過豎向預(yù)應(yīng)力和縱向預(yù)應(yīng)力兩者組合來控制,而不需要下彎預(yù)應(yīng)力索來承受。主拉應(yīng)力公式

假設(shè)主拉應(yīng)力σl≤0(即沒有拉應(yīng)力或表現(xiàn)為主壓應(yīng)力)則

即σxσy≥τ2

當(dāng)σxσy≥τ2時，腹板只出現(xiàn)主壓應(yīng)力或既沒有主拉應(yīng)力也沒有主壓應(yīng)力；采用直線配索方式,由于預(yù)應(yīng)力索沒有彎曲,法向不會出現(xiàn)混凝土拉應(yīng)力,故不需要布置單獨的鋼筋抵消彎曲預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的法向拉應(yīng)力,受力模式簡單,用鋼量少,施工方便；理論上完全可以取消下彎預(yù)應(yīng)力索和彎起預(yù)應(yīng)力索,只要調(diào)整σxσy的乘積就可以了。

3 豎向預(yù)應(yīng)力的有效性調(diào)查和分析

宜昌—萬縣葉溪河大橋主體結(jié)構(gòu)為80 m+108 m+80 m連續(xù)箱梁鐵路橋,豎向預(yù)應(yīng)力筋采用精軋螺紋粗鋼筋；對葉溪河大橋中跨1/4跨附近的豎向預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測報告中根據(jù)測試數(shù)據(jù)建立指數(shù)擬合豎向預(yù)應(yīng)力損失曲線如圖1所示。

圖1 指數(shù)擬合預(yù)應(yīng)力損失曲線

由圖1可以看出：錨固完成后的一個月左右損失最快可達10%,兩年內(nèi)損失在25%～30%；兩年以后損失逐漸減慢,從損失擬合曲線推算,大概5～6年預(yù)應(yīng)力損失就可達到或超過50%。假設(shè)先按縱向直線配筋方式分析,且直線預(yù)應(yīng)力損失不計,將測試數(shù)據(jù)等代轉(zhuǎn)換為混凝土的豎向壓應(yīng)力后帶入主拉應(yīng)力公式計算；全橋有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

表1列出了葉溪河大橋中跨1/4跨附近腹板局部應(yīng)力狀態(tài)分析,其中預(yù)應(yīng)力1：直線預(yù)應(yīng)力+80%有效豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計值；預(yù)應(yīng)力2：直線預(yù)應(yīng)力+60%有效豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計值；預(yù)應(yīng)力3：直線預(yù)應(yīng)力+30%有效豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計值。

表1 1/4跨附近箱梁腹板在不同豎向預(yù)應(yīng)力條件下的主應(yīng)力 MPa

注：τz為沿縱斷面方向的空間剪應(yīng)力；σl為沿縱斷面方向的主拉應(yīng)力。

由表1可以看出：豎向預(yù)應(yīng)力按80%設(shè)計值計算時,1/4跨基本為主壓應(yīng)力,沒有主拉應(yīng)力出現(xiàn)；豎向預(yù)應(yīng)力按60%設(shè)計值計算時,1/4跨就開始出現(xiàn)拉應(yīng)力；豎向預(yù)應(yīng)力按30%設(shè)計值計算時,1/4跨附近主壓應(yīng)力基本全部轉(zhuǎn)換為主拉應(yīng)力,在30號梁段最大值高達2.71 MPa。從上述分析及文獻[3]中可知,理論上豎向預(yù)應(yīng)力對減小主拉應(yīng)力貢獻很大。但是對于梁高較小,豎向預(yù)應(yīng)力筋較短,當(dāng)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋錨固端稍有施工不當(dāng),或錨固螺栓變形,引起粗鋼筋少量的縮短,就會造成很大的預(yù)應(yīng)力損失,所以施工結(jié)束后粗短的預(yù)應(yīng)力筋要達到設(shè)計值常常很困難,這就造成實際的豎向預(yù)應(yīng)力很小,施工質(zhì)量較差的結(jié)構(gòu)甚至豎向預(yù)應(yīng)力消失。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多結(jié)構(gòu)實際豎向預(yù)應(yīng)力不到設(shè)計值的50%,有些梁高2 m左右箱梁,只有設(shè)計值的20%～30%[4]。豎向預(yù)應(yīng)力大量損失是很難避免的,這說明主要用豎向預(yù)應(yīng)力來保證斜截面主拉應(yīng)力的方法是不可靠的。

4 采用曲線式配索

葉溪河大橋采用了下彎曲線預(yù)應(yīng)力索和豎向預(yù)應(yīng)力相結(jié)合的配筋方式,為了有足夠的安全儲備,先不考慮豎向預(yù)應(yīng)力的作用,忽略彎曲索使混凝土產(chǎn)生的法向局部拉應(yīng)力,按只配縱向曲線預(yù)應(yīng)力方案分析,有限元配索模型如圖3所示。

圖3 縱向曲線布索模型

4.1 正應(yīng)力分析

施加預(yù)應(yīng)力后,整體截面正應(yīng)力組合值從圖4可以看出：整體截面基本受壓,沒有受拉區(qū)出現(xiàn),最大值位于邊跨3/4,中跨3/8、5/8左右附近區(qū)域,組合最大壓應(yīng)力為10.3 MPa。

圖4 施加預(yù)應(yīng)力后截面實際應(yīng)力組合值(單位：kPa)

由于縱向預(yù)應(yīng)力筋較長,除了錨具變形、混凝土收縮徐變等前期損失外,后期預(yù)應(yīng)力損失主要表現(xiàn)為混凝土的收縮徐變,預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛。這兩種預(yù)應(yīng)力損失在后期運營階段都很小,為了保守起見,按遠(yuǎn)期預(yù)應(yīng)力損失20%進行截面應(yīng)力分析。從圖5中可以看出組合正應(yīng)力分布規(guī)律基本不變,全梁基本受壓,最大值位于邊跨3/4,中跨3/8、5/8左右附近區(qū)域,組合最大壓應(yīng)力為8.29 MPa。從圖6中可以看出,箱梁上下緣也基本整橋受壓,邊跨支座附近壓應(yīng)力較小,其他部位7.5 MPa左右波動,故箱梁上下緣也不會出現(xiàn)豎向裂縫。C50的混凝土抗壓設(shè)計值遠(yuǎn)大于實際應(yīng)力值,所以從正應(yīng)力角度出發(fā),這樣配置預(yù)應(yīng)力筋是非常合理的。

圖5 按遠(yuǎn)期預(yù)應(yīng)力損失20%進行截面應(yīng)力組合值(單位：kPa)

圖6 箱梁上下緣正應(yīng)力值

4.2 剪應(yīng)力分析

從圖7中明顯看出，支座處剪應(yīng)力改變不大,但其他截面剪應(yīng)力很小,基本被曲線預(yù)應(yīng)力抵消。按曲線預(yù)應(yīng)力損失20%后的剪應(yīng)力值計算如圖8所示,從圖8中可以看出,邊跨支座附近剪應(yīng)力變化較大,其他部位剪應(yīng)力變化幅度很小,均在混凝土的抗剪強度設(shè)計值范圍之內(nèi)。所以除了還需要加強支座應(yīng)力調(diào)整外,只要預(yù)應(yīng)力損失不大,這種曲線預(yù)應(yīng)力配筋方式對抵消剪應(yīng)力也是有效的。

圖7 實際截面剪應(yīng)力值(單位：kPa)

圖8 曲線預(yù)應(yīng)力損失20%后的剪應(yīng)力值(單位：kPa)

4.3 斜截面主拉應(yīng)力分析

以上分析可以看出,全橋混凝土基本上是整體受壓,沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)(即σx≤0),剪應(yīng)力除支座外也被抵消到很小范圍內(nèi)。假設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力全部損失(即σy=0),由主拉應(yīng)力公式得

斜截面的主拉應(yīng)力基本被抵消并轉(zhuǎn)化為主壓應(yīng)力,葉溪河大橋即使在豎向預(yù)應(yīng)力有一定損失的情況下也沒有產(chǎn)生斜裂縫,箱梁下上緣也沒有豎向彎曲裂縫出現(xiàn),這說明采用縱向曲線預(yù)應(yīng)力配筋方式是合理的。

5 分析與結(jié)論

通過對兩種配索方式分析可以看出：直線+豎向預(yù)應(yīng)力配索方式,在豎向預(yù)應(yīng)力損失小于50%時,腹板斜截面一般不會出現(xiàn)主拉應(yīng)力裂縫,此時這種配索方式總體上優(yōu)于下彎配索方式；但豎向預(yù)應(yīng)力在長期作用下,預(yù)應(yīng)力損失很難保證在50%以內(nèi),大部分都在5～6年以后突破此損失值,使截面轉(zhuǎn)為主拉應(yīng)力區(qū)而開裂。下彎配索方式管道摩阻力大,前期預(yù)應(yīng)力損失較大,但可以通過適當(dāng)超張拉加以彌補,后期預(yù)應(yīng)力損失較小,葉溪河大橋即使按20%預(yù)應(yīng)力損失計算,斜截面正截面均基本全橋受壓,從計算角度不會出現(xiàn)彎剪裂縫和彎曲裂縫；箱梁頂板底板彎曲索法向混凝土?xí)植渴芾?通過配置一定的構(gòu)造鋼筋可以彌補這一缺陷[5],從實際觀測也沒發(fā)現(xiàn)橫向彎曲索附近有縱向裂縫,腹板下彎法向受拉完全被縱向壓應(yīng)力抵消,基本可以不考慮。通過分析計算，曲線配索式加合理的構(gòu)造鋼筋布置是可以避免長期服役狀態(tài)下裂縫的出現(xiàn)。

從葉溪河大橋?qū)崪y分析可以得到以下主要結(jié)論。

(1)在理論上取消下彎索,通過適當(dāng)調(diào)整頂、底板索和豎向預(yù)應(yīng)力筋,調(diào)整截面σxσy的乘積,采用縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力聯(lián)合抵抗構(gòu)件斜截面主拉應(yīng)力的方式,來實現(xiàn)對腹板裂縫控制是可行的,不僅減少了鋼材的用量,且施工簡單。

(2)實際上用精軋螺紋粗鋼筋做成的豎向預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失較大,且很難控制；由于豎向預(yù)應(yīng)力的有效性不可靠,導(dǎo)致縱向直線預(yù)應(yīng)力抵抗主拉應(yīng)力的效果也大打折扣,結(jié)構(gòu)分析模型與真實情況差異過大,實際結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)主拉應(yīng)力而導(dǎo)致腹板斜裂縫。

(3)采用主要以縱向曲線預(yù)應(yīng)力索來抵抗斜截面主拉應(yīng)力,以豎向預(yù)應(yīng)力作為安全儲備而不參加計算的配索方式是保證箱梁在長期使用狀態(tài)下不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫的最有效方法。

[1] 張文學(xué).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁不同布索方式對比分析[J].公路交通科技,2009,26(7):81-83.

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[5] 舒 彬.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫分析與防治[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,21(4):105-107．