P.C.變截面連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

朱亞龍，劉 勝

(湖南省公路設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410000)

P.C.變截面連續(xù)箱梁具有安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、施工工藝成熟等特點(diǎn)，成為目前公路建設(shè)中很常見的橋型，但施工和運(yùn)營過程中仍有部分箱梁箱體出現(xiàn)不同程度裂縫病害，裂縫的存在對結(jié)構(gòu)的耐久性、安全度和正常使用都會產(chǎn)生十分不利的影響.究其成因，有設(shè)計(jì)富余量不足、施工質(zhì)量控制不嚴(yán)、養(yǎng)護(hù)不到位等前期原因，也有使用超載、外界環(huán)境突變、意外事件等后期原因.

然而，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為控制病害的第一環(huán)，需要設(shè)計(jì)者具有一定的預(yù)見性，結(jié)合工程實(shí)踐，分析以往工程病害的原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，加強(qiáng)薄弱點(diǎn)的構(gòu)造及配筋處理，提高安全儲備，有效預(yù)防病害的出現(xiàn).

圖1 箱梁一般構(gòu)造

1 工程概況

某橋布置為(68+2×110+68)m四跨一聯(lián)變截面連續(xù)箱梁.橋面全寬13.9m，箱底寬7.0m，兩側(cè)翼緣寬3.45m.

上部主梁采用單箱單室直腹板箱型截面，墩頂支點(diǎn)處梁高6.5m，邊跨直線段及主跨跨中處梁高3.25m，梁高按1.8次拋物線變化.0#塊和邊跨現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆，其余節(jié)段均采用掛籃懸臂對稱澆筑，按先邊跨后中跨順序合攏.主梁為縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C55，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì).

2 縱斷面設(shè)計(jì)

曲線形變高度連續(xù)梁支點(diǎn)及跨中高度經(jīng)驗(yàn)公式為：支點(diǎn)高H=(1/16～1/20)L，跨中高h(yuǎn)=(1/30～1/50)L.本橋設(shè)計(jì)取支點(diǎn)梁高6.5m(L/16.9)，跨中梁高3.25m(L/33.8)，梁高按1.8次拋物線變化；箱梁底板厚度為75cm(墩頂)～32cm(跨中)，厚度按1.8次拋物線變化；箱梁腹板厚度為： 80cm～70cm～50cm，具體變化情況見圖1.

箱梁澆筑分段長度分別為11m+5×3m+5×3.5m+4×4m，邊跨和跨中合攏段長2.0m，邊跨現(xiàn)澆直線段長12.0m.主梁0#塊長度一般控制在10.0～12.0m，過長則托架現(xiàn)澆施工不方便，過短則掛籃施工后支點(diǎn)不好立.懸澆分段長度一般控制在3.0～5.0m之間，盡量保證前、后段重量均衡變化，避免懸澆時(shí)梁段重量突變，造成應(yīng)力集中.

3 橫截面設(shè)計(jì)

3.1 頂板

頂板是橋梁直接承受汽車車軸荷載作用的部位，其病害一般出現(xiàn)在下緣，沿縱向開裂.設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)橫向橋面板計(jì)算確定其厚度及配筋，計(jì)算過程中橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的作用應(yīng)做折減，并適當(dāng)加強(qiáng)頂板下緣鋼筋的配置.因?yàn)樵趯?shí)際施工過程中，頂板較薄，橫向預(yù)應(yīng)力鋼束與普通鋼筋交錯(cuò)布置，且操作空間有限，橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的“偏心距”較難精準(zhǔn)控制，一旦偏差較大，很容易造成橫向預(yù)應(yīng)力不足，導(dǎo)致頂板下緣開裂[1].

3.2 底板

底板厚度由跨中至墩支點(diǎn)呈1.8次拋物線變化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足受壓區(qū)高度不超過底板厚度，保證腹板不受壓.跨中底板鋼束屬于“凸”形束,與抵抗跨中正彎矩的理想形式相反,鋼束的徑向力容易引起沿底板束面發(fā)生徑向撕裂[2].徑向力大小根據(jù)底板各鋼束永存應(yīng)力換算得出，可按下列公式計(jì)算：

F=N·tan(a)/b

式中：F—作用于橫向框架底板每根預(yù)應(yīng)力鋼束位置處的徑向分力(KN/m)；

N—考慮預(yù)應(yīng)力損失后每根底板預(yù)應(yīng)力鋼束的有效應(yīng)力(KN)；

a—梁段之間的相對轉(zhuǎn)角；

b—徑向力沿橋縱向的平均分布寬度.

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)橫向環(huán)框計(jì)算確定底板厚度和配筋，其裂縫寬度建議控制在0.13mm以內(nèi).

3.3 腹板

腹板尺寸主要受斜裂縫(主拉應(yīng)力裂縫)控制,斜裂縫一般發(fā)生在支點(diǎn)和四分點(diǎn)附近,并逐漸地向受壓區(qū)發(fā)展和延伸[3].腹板尺寸主要通過主梁縱向抗剪計(jì)算確定，計(jì)算時(shí)一般不計(jì)豎向預(yù)應(yīng)力作用(作安全儲備)，也不考慮變高度梁段內(nèi)附加剪應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果需滿足規(guī)范尺寸效應(yīng)及抗剪承載力的要求.腹板厚度應(yīng)結(jié)合主拉應(yīng)力大小由支點(diǎn)向跨中逐步減小，使主梁主拉應(yīng)力大小盡量均勻分布.腹板斜裂縫成因比較復(fù)雜，除受腹板厚度及配筋控制外，局部應(yīng)力引起的徐變、腹板內(nèi)外環(huán)境溫度變化差異等影響也比較大，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)建議將主拉應(yīng)力控制在0.8MPa以內(nèi).

截面尺寸滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算要求的同時(shí)還應(yīng)結(jié)合預(yù)應(yīng)力管道及鋼筋位置綜合考慮確定，注意鋼筋(鋼束)凈保護(hù)層厚度以及預(yù)應(yīng)力鋼束錨端張拉的凈邊要求.

4 齒塊設(shè)計(jì)

齒塊作為鋼束錨固點(diǎn)，承受局部應(yīng)力較大，是病害經(jīng)常出現(xiàn)的部位，其前后與主梁接觸面一般為受力薄弱點(diǎn)，較易產(chǎn)生裂縫，如圖2(a)中位置1、位置2處，產(chǎn)生的原因：位置1，端部強(qiáng)大的集中預(yù)加力作用下，在錨下的一定范圍內(nèi)，存在著很高的劈裂應(yīng)力，容易造成開裂；位置2，在預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲處產(chǎn)生徑向壓力，這個(gè)壓力直接對鋼束曲線內(nèi)側(cè)的混凝土產(chǎn)生作用，導(dǎo)致此處混凝土的崩出或剝落[3].設(shè)計(jì)時(shí)可從構(gòu)造和配筋上加強(qiáng)處理，如圖2(b).①將齒塊主筋加強(qiáng)并與底板鋼筋焊接成整體骨架；②錨下局部受壓鋼筋加強(qiáng)并伸入主梁腹板、底板錨固；③增大齒塊頂角，調(diào)整預(yù)應(yīng)力束圓曲線位置，使鋼束徑向力錯(cuò)開交接薄弱點(diǎn).

(a)

(b)

5 預(yù)應(yīng)力管道布置

預(yù)應(yīng)力管道布置是否合理直接關(guān)系到施工質(zhì)量的控制.三向預(yù)應(yīng)力應(yīng)盡量與主梁鋼筋避開，如圖3所示腹板鋼束置于頂板下層鋼筋之下，錯(cuò)開倒角鋼筋，避開豎向預(yù)應(yīng)力封錨端；頂板鋼束置于橫向預(yù)應(yīng)力之下，避開腹板箍筋及頂板下層鋼筋；梗腋形式則依據(jù)T6、T7號鋼束管道的保護(hù)層厚度來確定；底板鋼束布置時(shí)應(yīng)盡量靠近腹板，上層鋼束B7、B3b置于底板上層鋼筋之上，在底板厚度變化時(shí)，B7、B3b鋼束也應(yīng)隨之對應(yīng)變化.

圖中僅示意墩頂及跨中標(biāo)準(zhǔn)斷面布置，對于其他梁段，縱向鋼束走向有平彎、豎彎，難免會與鋼筋沖突，施工過程中可適當(dāng)調(diào)整鋼筋間距，并嚴(yán)格控制不得隨意將鋼筋截?cái)?

圖3 箱梁索孔布置標(biāo)準(zhǔn)斷面

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算

6.1 計(jì)算圖式

結(jié)構(gòu)采用“橋梁博士3.6”進(jìn)行計(jì)算，按平面桿系理論，將上部主梁縱向共劃分為122個(gè)單元，建立123個(gè)節(jié)點(diǎn).按照實(shí)際施工過程共劃分為18個(gè)施工階段和1個(gè)使用階段，求得構(gòu)件在施工階段和使用階段時(shí)的應(yīng)力、內(nèi)力和位移，并根據(jù)規(guī)范中所規(guī)定的各項(xiàng)容許指標(biāo)，驗(yàn)算構(gòu)件是否滿足規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)要求.

圖4 計(jì)算模型

6.2 荷載分析

結(jié)構(gòu)縱向受力只要包括：結(jié)構(gòu)自重、汽車荷載、溫度力、不均勻沉降、收縮徐變以及施工時(shí)人員、機(jī)具、掛籃等荷載.汽車荷載按公路-Ⅰ級車道荷載計(jì)入；溫度力按體系整體溫升25°、整體溫降25°及梯度溫度效應(yīng)計(jì)入；不均勻沉降按邊支0.8cm，中支1.2cm計(jì)入；收縮徐變按30年考慮；施工機(jī)具、人員及掛籃重量，一般按最大梁段重的0.35～0.45倍考慮.

6.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)算(計(jì)算圖示僅示半橋)

圖5 主梁抗彎承載力(KN.m)

時(shí)間節(jié)點(diǎn)：剛成橋

時(shí)間節(jié)點(diǎn)：成橋30年后

時(shí)間節(jié)點(diǎn)：剛成橋

時(shí)間節(jié)點(diǎn)：成橋30年后

由于混凝土收縮、徐變會引起構(gòu)件受拉區(qū)和受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力損失，主梁各計(jì)算指標(biāo)值也會有一定范圍的變化，所以，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮一個(gè)時(shí)間階段的結(jié)果而非一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果.以本橋?yàn)槔?，?jì)算剛成橋和成橋30年兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，就可以大致了解成橋30年內(nèi)主梁承載能力、應(yīng)力及鋼束應(yīng)力的變化情況，如下表1：

表1 計(jì)算結(jié)果對比表

通過以上對比表可知，在30年收縮徐變的影響下，混凝土最大、最小壓應(yīng)力及鋼束拉應(yīng)力會逐漸減小，而混凝土最大主拉應(yīng)力會逐漸增大.

主要驗(yàn)算結(jié)果：

(1)主梁抗彎承載力設(shè)計(jì)值均大于作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值，且截面最小富余較大，承載能力完全滿足要求.

(2)主梁正截面砼最大壓應(yīng)力為剛成橋時(shí)：σkc+σpt=16.2(MPa) ≤0.5fck=17.75 (MPa)，滿足規(guī)范C55砼彈性階段受壓要求.

(3)主梁正截面砼最小壓應(yīng)力儲備為成橋30年后：0.5(MPa)≥0(MPa)，滿足規(guī)范全預(yù)應(yīng)力砼受彎構(gòu)件正截面抗裂要求.

(4)主梁斜截面砼最大主拉應(yīng)力(支點(diǎn)位置失真)為成橋30年后：σtp=-0.63≤0.4ftk=-1.1(MPa)，滿足規(guī)范全預(yù)應(yīng)力砼受彎構(gòu)件斜截面抗裂要求.

(5)受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力為剛成橋時(shí)：σpe+σp=1203MPa≤0.65fpk=1209MPa；滿足規(guī)范預(yù)應(yīng)力材料彈性階段的使用要求.

通常，設(shè)計(jì)采用平面桿系有限元進(jìn)行計(jì)算,假定箱梁全截面受力,頂、底板的壓應(yīng)力分布均勻.事實(shí)上，對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，由于剪力滯和大噸位鋼束錨固的影響，箱梁各截面的應(yīng)力分布是不均勻的(如腹板附近的頂?shù)装逭龎毫ο鄬^大)[1].在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對截面正應(yīng)力上下限進(jìn)行控制，保持一定的安全儲備，否則極易導(dǎo)致箱梁應(yīng)力值超限，出現(xiàn)腹板和角隅裂縫、頂?shù)装逖毓艿篱_裂等質(zhì)量事故.

7 結(jié)語

本文以一實(shí)際工程設(shè)計(jì)為背景，主要介紹了P.C.變截面連續(xù)箱梁在尺寸擬定、預(yù)應(yīng)力鋼束布置、計(jì)算控制等方面一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié).但仍有許多方面沒有涉及，如縱向下彎腹板鋼束布置、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉和壓漿工藝、溫度效應(yīng)、地震效應(yīng)等都很值得探討.

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)也愈發(fā)繁忙，超載超限行為屢禁不止，許多橋梁已超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，病害日益突現(xiàn).近年來國內(nèi)行業(yè)規(guī)范也在不斷的完善，不斷的提高標(biāo)準(zhǔn).作為設(shè)計(jì)工作者，我們應(yīng)該具備一定的前瞻意識，高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求，結(jié)合施工實(shí)踐，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，做精品工程.使我們建設(shè)的橋梁在面對超載、偏載、極端氣候條件等不利效應(yīng)疊加時(shí)，仍能滿足正常使用的要求.