基于不同規(guī)范的懸臂施工連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)分析

楊志軍，劉育新，徐 岳

0 引言

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)、《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)(以下統(tǒng)稱為“新規(guī)范”)正式頒布實(shí)施已有7 a時(shí)間，然而我國(guó)很多在役橋梁都是按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 023—85)、《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTJ 021—89)(以下統(tǒng)稱為“舊規(guī)范”)設(shè)計(jì)而成的。當(dāng)采用舊規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，往往需要按照新規(guī)范進(jìn)行重新計(jì)算，以確定安全狀態(tài)及相應(yīng)的處理措施。為了總結(jié)新、舊規(guī)范設(shè)計(jì)條件與結(jié)果的區(qū)別，本論文用懸臂澆筑的三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?yàn)槭纠?，采用兩種規(guī)范分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，主要涉及在兩種規(guī)范下的汽車荷載及沖擊系數(shù)、材料強(qiáng)度取值、作用效用組合方式、抗裂驗(yàn)算、撓度計(jì)算等方面，主要目的在于正確應(yīng)用新規(guī)范與舊規(guī)范，并總結(jié)在設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)結(jié)果等方面的差異，為新橋設(shè)計(jì)與舊橋加固改造提供借鑒。

1 基本資料

1.1 橋型布置及孔徑劃分

該實(shí)例是某立交橋主線橋的一聯(lián)。為減小建筑高度，適當(dāng)增大跨徑并提高行車舒適性，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑布置為30 m+45 m+30 m。為了與主線橋其他各聯(lián)配合，實(shí)際橋長(zhǎng)為104.96 m，另外的4 cm為預(yù)留伸縮縫，橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算圖示如圖1所示。

圖1 橋梁計(jì)算圖式(單位:cm)

1.2 截面形式及截面尺寸擬定

本實(shí)例橋梁采用變高度單箱雙室截面形式，箱梁根部高取為2.4 cm，高跨比H1/L=1/18.75;跨中最小梁高H2取為1.2 m，H1/H2=2。

每幅橋面全寬為16 m，頂板翼緣外懸2.5 m，則箱梁底板寬度為11 m?？紤]布置預(yù)應(yīng)力鋼束、普通鋼筋及承受輪載的需要，箱梁頂板厚度一般為20～25 cm左右，本設(shè)計(jì)取為22 cm。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)資料，設(shè)置防撞護(hù)欄時(shí)，箱梁頂板翼緣端部厚度一般為15～20 cm左右，本設(shè)計(jì)取20 cm，翼緣根部厚度為30 cm。腹板與頂、底板相接處均做成 10 cm×10 cm承托，以利脫模并減弱轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中。主梁橫截面構(gòu)造如圖2所示。

2 有限元建模及分析

2.1 結(jié)構(gòu)離散及建模

根據(jù)對(duì)懸臂施工橋梁的建模原則，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，為便于模擬施工過(guò)程，本示例每一個(gè)施工節(jié)段自然劃分為一個(gè)單元。另外，在永久支座、臨時(shí)支座和一些構(gòu)造變化位置相應(yīng)增設(shè)節(jié)點(diǎn)。這樣全橋從左至右順序共劃分為50個(gè)單元，51個(gè)節(jié)點(diǎn)。 單元?jiǎng)澐智闆r如圖3所示。

圖2 主梁橫斷面構(gòu)造(單位:cm)

圖3 主梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐质疽?單位:m)

2.2 計(jì)算參數(shù)確定

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋主要由混凝土、普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋組成，新、舊規(guī)范中三種材料型號(hào)和強(qiáng)度方面有所區(qū)別。本例按照舊規(guī)范主梁采用40號(hào)混凝土，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為23.0 MPa，對(duì)應(yīng)于新規(guī)范中C50的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為22.4 MPa，故按新規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)，采用 C50混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用公稱直徑為15.2 mm、截面面積為140 mm2的高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度均為1 570 MPa。用R235鋼筋和HRB235鋼筋分別對(duì)應(yīng)規(guī)范中Ⅰ級(jí)熱軋圓鋼筋和Ⅱ級(jí)熱軋螺紋鋼筋。

計(jì)算汽車荷載時(shí)，本設(shè)計(jì)橋面寬度16 m，單向車道橋梁設(shè)計(jì)道數(shù)為4。由文獻(xiàn)［1］中表 4.3.1－4知4車道橫向折減系數(shù)為0.67，而按文獻(xiàn)［2］選取時(shí)四行車隊(duì)布載，汽車荷載可折減30%，但折減后不得小于用兩行車隊(duì)布載的計(jì)算結(jié)果。

新、舊規(guī)范計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 新舊規(guī)范計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

采用新舊規(guī)范分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，主要涉及到在汽車荷載及沖擊系數(shù)、材料強(qiáng)度取值、作用效用組合方式、抗裂驗(yàn)算、撓度計(jì)算等方面的不同，本論文主要在以下方面進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 汽車荷載效應(yīng)對(duì)比

新規(guī)范將汽車荷載作用分為公路—Ⅰ級(jí)和公路—Ⅱ級(jí)，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用車道荷載模式，局部分析計(jì)算采用車輛荷載模式，替代了舊規(guī)范的汽車－超20級(jí)和汽車－20級(jí)。同時(shí)將以跨徑為主要影響因素的計(jì)算方法修訂為以結(jié)構(gòu)基頻為主要因素來(lái)計(jì)算汽車沖擊系數(shù)。，對(duì)汽車沖擊系數(shù)，舊規(guī)范近似地認(rèn)定沖擊力與計(jì)算跨徑成反比，計(jì)算簡(jiǎn)便但不能反映其本質(zhì)，更重要的是系數(shù)偏小。新規(guī)范采用與橋梁結(jié)構(gòu)基頻相關(guān)的沖擊系數(shù)，綜合反映了結(jié)構(gòu)的尺寸、類型、建筑材料等動(dòng)力特性。

通過(guò)有限元建模計(jì)算分析得知:采用舊規(guī)范計(jì)算時(shí)中支座截面位置產(chǎn)生的最小負(fù)彎矩為－12 465.0 kN·m，最大正彎矩為 2 549.7 kN·m;采用新規(guī)范計(jì)算時(shí)支座截面位置產(chǎn)生的最小負(fù)彎矩為 －13 784.7 kN·m，最大正彎矩為 2 374.4 kN·m?？芍?，按新規(guī)范計(jì)算汽車荷載效應(yīng)的支點(diǎn)負(fù)彎矩比按舊規(guī)范計(jì)算值大10.6%，而跨中正彎矩值比按舊規(guī)范計(jì)算值大8.6%，可見(jiàn)根據(jù)新規(guī)范計(jì)算的汽車荷載內(nèi)力要明顯大于根據(jù)舊規(guī)范計(jì)算的結(jié)果。

3.2 溫度作用效應(yīng)對(duì)比

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋由于日照引起橋面與其他部位的溫度差而產(chǎn)生內(nèi)力。計(jì)算溫度次內(nèi)力時(shí)，舊規(guī)范中假定梯度溫度采用線性變化，具體為箱梁頂、底板相差5℃。而在新規(guī)范中，本實(shí)例采用正梯度溫度:T1=14℃，T2=5.5℃，T3=0℃，反梯度溫度:T1=－7℃，T2=－2.75℃，T3=0℃。由兩種規(guī)范計(jì)算下的結(jié)果可知，新規(guī)范正溫度梯度產(chǎn)生的次內(nèi)力最大彎矩值為5 313.2 kN·m，舊規(guī)范的溫度次內(nèi)力最大彎矩值為3 224.5 kN·m，可見(jiàn)，新規(guī)范正溫度梯度產(chǎn)生的次內(nèi)力要明顯大于舊規(guī)范的溫度次內(nèi)力;另外按新規(guī)范計(jì)算有負(fù)溫差次內(nèi)力，而按舊規(guī)范計(jì)算則沒(méi)有。

3.3 作用效應(yīng)組合對(duì)比

新規(guī)范和舊規(guī)范在作用組合方式發(fā)生較大改變，舊規(guī)范承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)一般采用Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三種組合;而新規(guī)范承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)采用基本組合，正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)分作用短期效應(yīng)和長(zhǎng)期效應(yīng)分別組合。在此僅給出在配筋后的兩種規(guī)范計(jì)算下的承載能力極限狀態(tài)作用效應(yīng)內(nèi)力組合的變化情況，彎矩對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

新規(guī)范計(jì)算下支座處的最大負(fù)彎矩為65 451.7kN·m，跨中截面處的最大正彎矩為47 485.9 kN·m;采用舊規(guī)范計(jì)算時(shí)，支座處的最大負(fù)彎矩61 752.5 kN·m，跨中截面處的最大正彎矩40 804.4 kN·m。對(duì)比可知基于不同規(guī)范作用效應(yīng)結(jié)果差異較大，新規(guī)范作用效應(yīng)組合內(nèi)力值總體大于舊規(guī)范作用效應(yīng)組合內(nèi)力值。

表2 承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力組合對(duì)比

3.4 計(jì)算與驗(yàn)算結(jié)果

舊規(guī)范規(guī)定對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。其中承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算包括正截面強(qiáng)度驗(yàn)算、斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算和斜截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算;正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算包括使用階段混凝土主應(yīng)力、鋼束應(yīng)力、混凝土法向應(yīng)力、變形驗(yàn)算以及及施工階段混凝土法向應(yīng)力驗(yàn)算。

新規(guī)范規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的驗(yàn)算包括:持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算及持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力驗(yàn)算等。其中承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算包括正截面抗彎承載能力驗(yàn)算、斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算和斜截面抗彎承載能力驗(yàn)算;正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算包括抗裂驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算;持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力驗(yàn)算包括持久狀況預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力驗(yàn)算。限于篇幅要求，本論文在此僅給出短暫狀況混凝土法向壓應(yīng)力計(jì)算及驗(yàn)算的對(duì)比情況，其它的計(jì)算與驗(yàn)算對(duì)比結(jié)果不再給出。

對(duì)于短暫狀況混凝土法向壓應(yīng)力限值，85規(guī)范規(guī)定40號(hào)混凝土施工階段正截面混凝土法向壓應(yīng)力限值為16.8 MPa，法向拉應(yīng)力按預(yù)拉區(qū)配置非預(yù)應(yīng)力筋時(shí)其限值為規(guī)范規(guī)定短期狀況正截面混凝土法向壓應(yīng)力限值為短期狀況正截面混凝土法向拉應(yīng)力按預(yù)應(yīng)力區(qū)配有有配筋率不小于0.2%的縱向鋼筋時(shí)其限制為短暫狀況混凝土法向應(yīng)力對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 短暫狀況法向壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表3可知，根據(jù)04規(guī)范計(jì)算的短暫狀況混凝土法向最大應(yīng)力和最小應(yīng)力結(jié)果與85規(guī)范的計(jì)算結(jié)果略有差別。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于采用懸臂施工的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋，在特定的實(shí)例及設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上通過(guò)有限元程序按新舊規(guī)范分別進(jìn)行計(jì)算及分析，以下幾點(diǎn)可供借鑒:

1)新、舊規(guī)范在計(jì)算參數(shù)有所區(qū)別，主要在汽車荷載、溫度梯度和作用效應(yīng)組合方式有較大調(diào)整。新規(guī)范的汽車荷載效應(yīng)比舊規(guī)范大10%左右;新規(guī)范正溫度梯度產(chǎn)生的次內(nèi)力要明顯大于舊規(guī)范的溫度次內(nèi)力，可見(jiàn)溫度梯度選取的正確與否是關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素，尤其對(duì)于大跨徑連續(xù)梁影響更大，不應(yīng)忽視;按新規(guī)范計(jì)算的控制截面作用效應(yīng)組合結(jié)果大于舊規(guī)范。

2)新規(guī)范對(duì)全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件需進(jìn)行短期效應(yīng)組合下的主應(yīng)力驗(yàn)算;舊規(guī)范直接對(duì)使用階段混凝土法向應(yīng)力和主拉應(yīng)力驗(yàn)算。本例按新規(guī)范計(jì)算時(shí)中跨L/4截面斜截面抗裂仍未通過(guò)驗(yàn)算，這是由于舊規(guī)范規(guī)定的全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土截面主拉應(yīng)力限值比新規(guī)范高，說(shuō)明新規(guī)范對(duì)于抗裂性的要求比舊規(guī)范要嚴(yán)格。

3)短暫狀況下按不同規(guī)范計(jì)算的混凝土截面法向應(yīng)力略有差異，主要由于收縮及徐變作用次內(nèi)力和預(yù)應(yīng)力損失差異引起。

4)需要注意的是，以上舊規(guī)范和新規(guī)范之間的對(duì)比結(jié)果，僅是針對(duì)本章示例橋梁在懸臂施工方法下的對(duì)比分析，對(duì)比的結(jié)果并不適合于所有橋型，不具有普遍性，僅供參考。

［1］JTG D60－2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［2］JTJ 021－89，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［3］徐 岳，王亞君，萬(wàn)振江.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］JTG D62－2004，公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］JTJ 023－85，公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1988.