PC連續(xù)剛構(gòu)橋梁底合理曲線線形研究

龍佩恒， 劉 靖， 張文學(xué)

(1.北京建筑工程學(xué)院土木與交通工程學(xué)院，北京 100044;2.保阜高速公路籌建處，河北 保定 071000;3.北京工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院，北京 100022)

0 引言

PC連續(xù)剛構(gòu)橋常采用變截面箱形梁，為滿足橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的要求，一般梁底曲線以拋物線線形為主。但梁底曲線次數(shù)的選擇對(duì)箱梁合龍段施工控制有較大的影響，當(dāng)梁底曲線次數(shù)過低，張拉合龍段底板長(zhǎng)束時(shí)可能導(dǎo)致底板下緣和腹板內(nèi)側(cè)受拉開裂［1-4］。為此，以黑崖溝2號(hào)橋?yàn)楸尘肮こ?，針?duì)PC連續(xù)剛構(gòu)橋梁底曲線次數(shù)對(duì)箱梁受力狀態(tài)的影響開展理論分析與試驗(yàn)研究，研究結(jié)論可供同類橋梁設(shè)計(jì)借鑒。

1 底板曲線次數(shù)對(duì)箱梁應(yīng)力狀態(tài)的影響

表1 各種梁底曲線參數(shù)表

1.1 梁底曲線次數(shù)的選擇

背景工程黑崖溝2號(hào)特大橋?yàn)楸８犯咚俟房缭胶谘聹系囊蛔鵓C連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨組合(70+3×127+70)m。主梁為單箱單室預(yù)應(yīng)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次拋物線變化。保持支點(diǎn)與跨中梁高不變，按拋物線y=axα+b分別選擇不同的底板曲線次數(shù)，參數(shù)見表1。

1.2 箱梁空間局部應(yīng)力分析

采用Solid45實(shí)體單元模擬混凝土，Link8單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋，建立梁底曲線次數(shù)分別為1.5、1.6、1.7、1.8、1.9 和 2.0 的 6 個(gè)數(shù)值模型(圖 1)，分析全橋合龍后張拉底板長(zhǎng)束時(shí)距跨中左右各8 m范圍內(nèi)箱梁各截面底板上下緣橫向應(yīng)力及腹板內(nèi)側(cè)豎向應(yīng)力分布(圖2)，截面A-A、B-B應(yīng)力分布規(guī)律如圖3～圖6所示，各截面應(yīng)力峰值見表2～表4。

圖1 箱梁空間局部應(yīng)力分析模型

圖2 箱梁應(yīng)力狀態(tài)的截面與部位(單位:m)

由圖3～圖6和表2～表4可以看出:底板上緣橫向拉應(yīng)力峰值位于－3.05～－2.0和2.0～3.05這兩個(gè)區(qū)域;底板下緣橫向拉應(yīng)力峰值位于－2.0～2.0區(qū)域，腹板內(nèi)側(cè)豎向拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在腹板下端。隨著底板曲線次數(shù)的降低，局部應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)，采用1.5次拋物線時(shí)底板上緣、下緣和腹板豎向拉應(yīng)力達(dá)到了2.39、2.71、3.46 MPa。拉應(yīng)力超過了混凝土極限抗拉強(qiáng)度，易導(dǎo)致底板與腹板混凝土拉裂。因此，建議在橋梁設(shè)計(jì)中，箱梁底板曲線次數(shù)不低于1.6次。

圖3 A-A截面底板橫向拉應(yīng)力

圖4 B-B截面底板橫向拉應(yīng)力

2 黑崖溝2號(hào)橋箱梁防裂設(shè)計(jì)分析

為防止張拉底板鋼束導(dǎo)致底板和腹板出現(xiàn)縱向開裂問題，提出三種改進(jìn)措施:方案一:跨中底板加勁方案(圖7)，方案二:橫向框架方案(圖8)，方案三:實(shí)體隔板方案(圖9)。

圖5 A-A截面腹板豎向拉應(yīng)力

圖6 B-B截面腹板豎向拉應(yīng)力

表2 底板下緣橫向拉應(yīng)力峰值 MPa

表3 底板上緣橫向拉應(yīng)力峰值 MPa

建立有限元分析模型，分析采用三種改進(jìn)方案前后箱梁底板和腹板內(nèi)側(cè)局部應(yīng)力分布情況，如圖10～圖13所示。表5～表6列出了箱梁跨中左右8 m范圍內(nèi)6個(gè)截面采取改善措施前后的箱梁截面底板上下緣和腹板內(nèi)側(cè)的最大應(yīng)力情況。

由圖10～圖13可以看出，三種改進(jìn)方案箱梁截面底板上下緣和腹板內(nèi)側(cè)的應(yīng)力較改進(jìn)前均有明顯下降。

圖7 跨中底板加勁方案(單位:cm)

圖8 跨中橫向框架方案(單位:cm)

圖9 跨中實(shí)體隔板方案(單位:cm)

表4 腹板豎向拉應(yīng)力峰值 MPa

由表5～表6中可以看出，跨中箱梁截面應(yīng)力狀態(tài)改善效果明顯，隨著遠(yuǎn)離跨中截面，各改進(jìn)方案對(duì)底板上下緣和腹板內(nèi)側(cè)應(yīng)力狀態(tài)的改善作用逐漸趨于穩(wěn)定。其中，實(shí)體隔板方案對(duì)底板和腹板總體應(yīng)力狀態(tài)的改善效果最佳，最終選取實(shí)體隔板方案為實(shí)際工程的實(shí)施方案。

3 防裂設(shè)計(jì)的實(shí)橋測(cè)試結(jié)果

圖10 不同方案A-A截面底板橫向拉應(yīng)力

圖11 不同方案B-B截面底板橫向拉應(yīng)力

圖12 不同方案A-A截面腹板豎向拉應(yīng)力

圖13 不同方案B-B截面腹板豎向拉應(yīng)力

黑崖溝2號(hào)橋防裂設(shè)計(jì)采用跨中設(shè)置實(shí)體隔板的設(shè)計(jì)方案，板厚30 cm。實(shí)橋測(cè)試截面選在B-B、FF、I-I截面埋設(shè)應(yīng)力傳感器，測(cè)試合龍段張拉底板鋼束后測(cè)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)。表7列出了改進(jìn)前后理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較(表7中①跨中未設(shè)實(shí)體隔板;②跨中設(shè)隔板后;③實(shí)測(cè)值)。

由跨中設(shè)置實(shí)體隔板前后的理論值與實(shí)測(cè)值的比較可以看出，通過跨中設(shè)置實(shí)體隔板可有效地改善跨中區(qū)段箱梁底板、腹板的受力狀態(tài)，此防裂設(shè)計(jì)方案實(shí)用可靠，可供類似工程借鑒。

圖14 箱梁截面拉應(yīng)力較大區(qū)域(單位:cm)

表5 箱梁底板上下緣最大拉應(yīng)力 MPa

表6 箱梁腹板最大拉應(yīng)力 MPa

4 結(jié)論

通過變截面PC連續(xù)剛構(gòu)橋梁底曲線次數(shù)對(duì)跨中區(qū)段箱梁受力狀態(tài)的理論與試驗(yàn)研究得出如下結(jié)論:

(1)合龍段張拉底板預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)，跨中附近區(qū)段箱梁底板橫向和腹板豎向?qū)a(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，隨著底板曲線次數(shù)的降低，拉應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)。其中，1.5次拋物線底板上緣、下緣和腹板拉應(yīng)力達(dá)到了2.39、2.71、3.46 MPa，極易導(dǎo)致箱梁底板和腹板縱向裂縫。為防止張拉底板預(yù)應(yīng)力鋼束導(dǎo)致底板和腹板開裂問題，PC連續(xù)剛構(gòu)橋梁底曲線次數(shù)易選擇1.6次以上的拋物線線形。

(2)跨中截面設(shè)置加勁隔板可有效地解決曲線型底板箱梁跨中區(qū)段局部應(yīng)力過大問題，其中，實(shí)體橫隔板方案效果最佳。

表7 箱梁底板和腹板拉應(yīng)力分布 MPa

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