預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋應(yīng)力控制設(shè)計

孫永存

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166）

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋應(yīng)力控制設(shè)計

孫永存

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166）

應(yīng)力設(shè)計是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋設(shè)計的重要內(nèi)容，文中以某高速公路A匝道橋為例，從預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的類型、箱梁豎向梯度溫度的作用等幾方面介紹應(yīng)力設(shè)計應(yīng)注意的問題，并給出結(jié)論，為同類橋梁設(shè)計提供有益參考。

預(yù)應(yīng)力；連續(xù)箱梁；應(yīng)力控制

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋使高強(qiáng)度材料得以充分發(fā)揮，對河流、道路具有良好的跨越能力，對復(fù)雜道路線型具有良好的空間適應(yīng)性，所選用箱梁截面具有可靠的強(qiáng)度、剛度以及抗裂性能，在施工和使用過程中具有良好的穩(wěn)定性，在大、中橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用［1］。

與鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋不同，確定了箱梁截面、橋梁跨徑以及外部荷載以后，箱梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)還要受預(yù)應(yīng)力鋼束配置情況的影響，即便是相同的鋼束根數(shù)，不同的鋼束線型也會引起截然不同的內(nèi)力狀態(tài)，由內(nèi)力決定的應(yīng)力狀態(tài)也就具有一定的不確定性。應(yīng)力控制設(shè)計作為預(yù)應(yīng)力橋梁設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，是保證橋梁后期良好運營的關(guān)鍵。本文以遼寧省新民至鐵嶺高速公路腰堡北立交A匝道橋為實例，以鋼束調(diào)整作為貫穿全文的主線，介紹預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋應(yīng)力控制設(shè)計需注意的一些問題。

1 工程簡介

新民至鐵嶺高速公路路線全長75km，A匝道橋上跨國道G102，上部采用三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，孔跨布置為30+35+30m，箱梁斷面如圖1所示：

圖1 箱梁橫截面尺寸圖 （cm）

2 影響因素

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁應(yīng)力設(shè)計，確保施工階段、使用階段箱梁頂?shù)拙墤?yīng)力滿足規(guī)范的前提下，應(yīng)力分布盡量均勻，使用階段受彎構(gòu)件正截面混凝土的壓應(yīng)力偏大、全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在頻遇組合下箱梁截面壓應(yīng)力數(shù)值偏小等，應(yīng)力控制效果均不好。影響應(yīng)力分布的因素很多，本文重點考慮3個方面：

（1）預(yù)應(yīng)力構(gòu)件類型；

（2）豎向梯度溫度；

（3） 支座沉降。

3 應(yīng)力控制設(shè)計

3.1 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件類型

橋梁設(shè)計以規(guī)范為準(zhǔn)，各項指標(biāo)需滿足規(guī)范相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，本文依據(jù) 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范 （JTG D62-2004）》 （以下簡稱04規(guī)范）對該橋進(jìn)行全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，頻遇組合作用下箱梁頂?shù)拙壍恼龖?yīng)力包絡(luò)計算結(jié)果如圖2（全橋應(yīng)力基本對稱，僅給出部分控制斷面結(jié)果）。

圖2 全預(yù)應(yīng)力狀態(tài)正應(yīng)力包絡(luò)圖 （MPa）

保持原有鋼束線型及外界荷載不變，僅調(diào)整計算文件中構(gòu)件類型為A類構(gòu)件，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 A類狀態(tài)正應(yīng)力包絡(luò)圖 （MPa）

對比兩圖可以看出，由全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件調(diào)整為A類構(gòu)件后，箱梁頂?shù)拙壍淖畲笳龖?yīng)力計算結(jié)果完全一致，原因在于04規(guī)范7.1.5條關(guān)于兩種構(gòu)件最大正應(yīng)力的計算公式一致［2］。

箱梁頂?shù)拙壍淖钚≌龖?yīng)力有所區(qū)別，除墩支點底緣外，A類構(gòu)件箱梁截面的壓應(yīng)力數(shù)值均大于全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。原因在于，調(diào)整為A類構(gòu)件后鋼束在箱梁截面產(chǎn)生的壓應(yīng)力數(shù)值不再作20%折減 （04規(guī)范 6.3.1條），頻遇組合后 A類構(gòu)件（除橋墩支點附近截面外）箱梁截面的壓應(yīng)力數(shù)值有所增加。墩支點底緣截面壓應(yīng)力數(shù)值變小，原因在于，剔除鋼束作用，在荷載作用下，墩支點處箱梁截面為負(fù)彎矩作用，支點處鋼束基本從箱梁頂緣通過，使得墩支點處箱梁底緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。調(diào)整為A類構(gòu)件后，不再作20%折減，因此，墩支點處箱梁截面底緣壓應(yīng)力數(shù)值變小。

另外，調(diào)整為A類構(gòu)件后，跨中截面底緣壓應(yīng)力數(shù)值增加值大于截面頂緣，原因在于鋼束基本從底緣通過，應(yīng)力折減的 “基數(shù)”大于截面頂緣。

3.2 豎向梯度溫度

豎向梯度溫度作用，在箱梁截面頂?shù)拙壆a(chǎn)生附加應(yīng)力，依據(jù) 《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范JTG D60-2015》4.3.12條計算，如表1所示。

表1 墩支點處箱梁截面溫度應(yīng)力 （MPa）

梯度溫度作用對連續(xù)箱梁的應(yīng)力設(shè)計起到一定控制作用，由表1可知：

（1）采用10cm瀝青混凝土鋪裝時，墩支點處箱梁頂緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到-2.9MPa，遠(yuǎn)大于汽車活載-1.3MPa的拉應(yīng)力；

（2）豎向梯度溫度對截面頂緣的影響大于截面底緣；

（3）隨著瀝青混凝土鋪裝厚度的減少，截面頂?shù)拙壍臏囟葢?yīng)力逐漸增加。

應(yīng)力設(shè)計時，單純采用增加鋼束或上移鋼束克服墩支點截面頂緣拉應(yīng)力，相應(yīng)引起截面頂緣最大正應(yīng)力增加，或許不滿足規(guī)范關(guān)于受壓區(qū)混凝土最大正應(yīng)力數(shù)值的要求，應(yīng)力控制效果不理想。所以，應(yīng)力設(shè)計首先應(yīng)合理選擇鋪裝層的類型及厚度。

3.3 基礎(chǔ)沉降

連續(xù)箱梁為超靜定結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)不均勻沉降在箱梁截面頂?shù)拙壆a(chǎn)生附加應(yīng)力，如表2所示。

表2 不均勻基礎(chǔ)沉降墩支點處箱梁截面應(yīng)力 （MPa）

由表2可知，截面頂、底緣應(yīng)力隨沉降數(shù)值線性增加，應(yīng)使各橋墩基礎(chǔ)位于均質(zhì)巖層，盡量控制橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降數(shù)值最??；同時，不均勻沉降對截面底緣的影響大于頂緣，橋位處地質(zhì)條件差，不均勻沉降難以避免時，可于箱梁底緣適當(dāng)增加鋼束根數(shù)。

3.4 其它需認(rèn)識的問題

（1）整體現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁通過截面尺寸調(diào)整、鋼束布置調(diào)整等方式，可盡量減少截面頂?shù)拙壍睦瓚?yīng)力數(shù)值，直至全橋均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，然而卻難以消除主拉應(yīng)力。原因在于，該類連續(xù)箱梁通常按平面桿系計算，不考慮空間效應(yīng)，箱梁受力狀態(tài)可假定為平面應(yīng)力狀態(tài)，主應(yīng)力極值分別為：

其中，σx、σy分別為沿橋梁縱向及鉛垂方向的應(yīng)力，由于整體現(xiàn)澆連續(xù)箱梁通常不設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束， 豎直應(yīng)力 σy≈0， 也就有 σmax×σmin≈-τ2x≤0，又τx一般不為0，因此，整體現(xiàn)澆連續(xù)箱梁僅配置縱向鋼束時，主拉應(yīng)力必然存在。

（2）主拉應(yīng)力控制設(shè)計時，常常出現(xiàn)一種結(jié)果，全橋主拉應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求，但墩支點兩側(cè)腹板變寬區(qū)域的箱梁主拉應(yīng)力數(shù)值偏大，如圖4所示。

圖4 全橋主拉應(yīng)力圖 （MPa）

鑒于本橋箱梁采用C50混凝土，墩支點兩側(cè)主拉應(yīng)力滿足規(guī)范不大于1.06MPa的要求，然而1.02MPa、0.91MPa的主拉應(yīng)力與主拉應(yīng)力限值較為接近。與墩支點不同，墩支點兩側(cè)腹板變寬區(qū)域為空心截面，主拉應(yīng)力偏大易導(dǎo)致腹板產(chǎn)生豎向裂縫，圖4的應(yīng)力控制結(jié)果不盡理想。

主拉應(yīng)力偏大，或許是正應(yīng)力引起，或許是剪應(yīng)力引起。本文通過鋼束調(diào)整，頻遇組合作用下，箱梁頂?shù)拙壍淖钚≌龖?yīng)力均能滿足規(guī)范要求，且控制結(jié)果較好，如圖2所示，因此，引起墩支點兩側(cè)主拉應(yīng)力偏大的原因是剪應(yīng)力偏大。恒載、活載及鋼束起彎角均是引起剪應(yīng)力的主要因素，恒載、活載的共同特點是在墩支點處引起剪應(yīng)力極大值，墩支點兩側(cè)剪應(yīng)力相對較小，并且恒載、活載確定以后，引起的剪應(yīng)力數(shù)值也是確定不變的；鋼束通常在墩支點兩側(cè)上彎及下彎，鋼束起彎角引起的剪應(yīng)力極值出現(xiàn)在墩支點兩側(cè)，墩支點處剪應(yīng)力接近于0。

綜合考慮墩支點處箱梁截面因梯度溫度、支座沉降引起的正應(yīng)力偏小的因素，該截面主拉應(yīng)力相對其它截面偏大是不可避免的，又鑒于墩支點處截面為實心截面，主拉應(yīng)力計算結(jié)果在滿足規(guī)范要求的前提下接近限值可以接受。鋼束起彎角是引起墩支點兩側(cè)主拉應(yīng)力偏大的直接原因，可通過調(diào)整鋼束起彎角來改善應(yīng)力控制結(jié)果，如圖5所示，而調(diào)整后的正應(yīng)力計算結(jié)果改變并不明顯，能較好地滿足規(guī)范要求。

圖5 鋼束起彎角調(diào)整后全橋主拉應(yīng)力圖 （MPa）

（3）前文給出了墩支點兩側(cè)主拉應(yīng)力偏大的調(diào)整辦法，墩頂箱梁頂?shù)拙壵龖?yīng)力設(shè)計也是全橋應(yīng)力控制設(shè)計的難點，頻遇組合下常常會出現(xiàn)圖6中 （a）所示的應(yīng)力狀態(tài)，即墩頂箱梁底緣的壓應(yīng)力儲備雖然較大，墩頂箱梁頂緣卻出現(xiàn)了拉應(yīng)力。通常調(diào)整鋼束的辦法是墩頂處箱梁內(nèi)部鋼束整體上移，以增加箱梁頂緣的壓應(yīng)力儲備，實際操作時卻難以達(dá)到理想的效果。第一，墩頂處箱梁內(nèi)部鋼束大多從箱梁頂緣通過，鋼束整體上移空間有限；第二，墩支點兩側(cè)底緣有可能因此而產(chǎn)生拉應(yīng)力；第三，鋼束整體上移引起墩支點兩側(cè)鋼束起彎角變化，將會導(dǎo)致墩支點兩側(cè)主拉應(yīng)力偏大。

圖6 墩頂及附近區(qū)域箱梁頂?shù)拙壵龖?yīng)力圖 （MPa）

本文采取的辦法是不改變鋼束距箱梁頂?shù)拙壍木嚯x，而向墩中心線處整體平移鋼束起彎段，如圖7所示，實現(xiàn)減小墩頂鋼束直線段長度而不改變鋼束起彎角的調(diào)束狀態(tài)，調(diào)整后的應(yīng)力狀態(tài)如圖6中 （b）所示，墩頂箱梁底緣的壓應(yīng)力儲備減少，箱梁頂緣出現(xiàn)了一定的壓應(yīng)力儲備，箱梁頂?shù)拙壍膽?yīng)力分布趨于均勻；墩支點兩側(cè)箱梁頂緣的壓應(yīng)力儲備減小，箱梁底緣的壓應(yīng)力儲備增加。因此，平移鋼束起彎段后，墩支點處箱梁頂?shù)拙墤?yīng)力表現(xiàn)為整體 “上移”，墩支點兩側(cè)箱梁頂?shù)拙墤?yīng)力表現(xiàn)為整體 “下移”，箱梁內(nèi)正應(yīng)力分布更加合理。

圖7 墩頂鋼束平移示意圖

需要提及的是，平移鋼束起彎段后，由于鋼束起彎段更加靠近墩中心線，克服了較多的恒載剪力，墩中心線兩側(cè)箱梁內(nèi)主拉應(yīng)力在鋼束平移后得以改善，調(diào)整前、后箱梁內(nèi)主拉應(yīng)力如圖8中 （a）、 （b） 所示。

圖8 墩頂及附近區(qū)域箱梁主拉應(yīng)力圖 （MPa）

4 結(jié)語

應(yīng)力設(shè)計為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁最核心的設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)重點考慮預(yù)應(yīng)力構(gòu)件類型、豎向梯度溫度以及基礎(chǔ)沉降幾方面因素，文中以新民至鐵嶺高速公路A匝道橋為例，介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁應(yīng)力設(shè)計過程中經(jīng)常出現(xiàn)的應(yīng)力狀態(tài)，分析原因并給出解決辦法，供同類橋型設(shè)計參考。

［1］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，2001.

［2］中華人民共和國交通部．公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTG D62-2004［S］.北京：人民交通出版社，2004.

Stress Control of Prestressed Concrete Continuous Box Girder

SUN Yong-cun

Stress control of prestressed concrete continuous box girder is an important link in designing process.This article takes A-ramp bridge of Xinmin-Tieling Highway as an example,presents some problems which should be paid attention to in designing process from component types,gradient temperature effect,and so on,and gives the relevant conclusion.

prestressed,continuous box girder,stress control

U442.5；U448.35

B

1008-3812（2017）02-004-04

2017-02-02

孫永存 （1982— ），男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。研究方向：橋梁設(shè)計。