斜交異形大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁力學(xué)性能分析

■邱俊峰

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

高速公路橋梁建設(shè)過程中，為縮短建設(shè)周期及節(jié)約建設(shè)成本，上部結(jié)構(gòu)通常采用預(yù)制梁形式，下部結(jié)構(gòu)常見有鋼筋混凝土蓋梁配柱式墩或薄壁墩。此類橋梁在受到道路交叉、橋下凈空等特殊地形條件限制時(shí)，普通下部結(jié)構(gòu)將無法滿足墩位布設(shè)及結(jié)構(gòu)受力要求，一般均需采用大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁。

文獻(xiàn)[1-4]均對(duì)建立合理的正交大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的計(jì)算模型進(jìn)行了探討，為該類蓋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了有益的參考。天津市政設(shè)計(jì)研究院的李海東等[5]，分析了上部結(jié)構(gòu)為小箱梁的預(yù)應(yīng)力蓋梁在不同的施工步驟下的應(yīng)力狀態(tài)，優(yōu)化了預(yù)應(yīng)力蓋梁的配束。此外，還有其他一些文獻(xiàn)均對(duì)大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了很好的思路，但是對(duì)于橋梁在斜交情況下，大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁受力情況尚未有研究。

本文結(jié)合福建省長(zhǎng)平高速公路榕嶺大橋1號(hào)墩受橋下交叉道路影響，由三柱斜交鋼筋混凝土蓋梁變更為兩柱斜交預(yù)應(yīng)力混凝土大懸臂蓋梁，重點(diǎn)分析了該類型蓋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及受力特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

榕嶺大橋橋?qū)挒?16.5m(左幅)＋0.5m(分隔帶)+16.5m(右幅)，上部為40m預(yù)應(yīng)力混凝土 連續(xù)T梁，受橋下鄉(xiāng)道及省道影響，斜交23°布設(shè)，要求兩幅墩中央凈距10m，需采用斜交大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁配雙柱墩形式，如圖1所示。

2 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

2.1 蓋梁構(gòu)造及鋼束布置

蓋梁懸臂長(zhǎng)5.7m，寬2.4m，根部高2.4m，采用C50高強(qiáng)混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束采用Фs15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。基于上部傳遞的恒載及活載，經(jīng)試算，需張拉N1(6Фs15.2-9)、 N2(6Фs15.2-9)鋼束，鋼束布置見圖 2。

圖1 橋墩布置圖(單位：cm)

圖2 鋼束布置圖(單位：cm)

斜交異形大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁端部為不規(guī)則形狀，如圖2鋼束平面布置圖所示，斜交23°角布設(shè)，張拉錨具布置要求端部按齒塊階梯狀布置，應(yīng)力分布較為復(fù)雜，需借助精細(xì)化的有限元模擬其受力狀態(tài)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

2.2 蓋梁施工步驟

文獻(xiàn)[5]中通過分析不同的架梁順序，認(rèn)為由外側(cè)向內(nèi)側(cè)對(duì)稱架設(shè)小箱梁可保證架設(shè)過程中蓋梁截面內(nèi)應(yīng)力相對(duì)較小。結(jié)合本工程蓋梁，通過對(duì)不同張拉鋼束及架梁順序的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，擬定蓋梁施工步驟如下：

(1)立模澆筑蓋梁混凝土，待混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%后，張拉N1或N2鋼束并灌漿；

(2)依次對(duì)稱架設(shè)前孔上部T梁；

(3)依次對(duì)稱架設(shè)后孔上部T梁；

(4)移走架橋機(jī)等施工臨時(shí)荷載，張拉N2或N1鋼束并灌漿；

(5)體系轉(zhuǎn)換，完成橋面系施工；

(6)10年收縮徐變；

(7)運(yùn)營階段。

3 蓋梁力學(xué)性能分析

3.1 蓋梁受荷全過程計(jì)算

為分析方便，本文采用橋梁博士V3.5程序按正交蓋梁建立平面桿系有限元模型，模擬蓋梁在施工與運(yùn)營期間的受力狀態(tài)。

首先分析不同的鋼束張拉順序?qū)ιw梁內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的影響。蓋梁主要承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的恒載及活載，因此預(yù)應(yīng)力鋼束的布置及張拉順序與上部荷載的加載時(shí)間及荷載值的大小緊密相關(guān)。在上部預(yù)制T梁還未架梁前，若鋼束一次性張拉到位或分批張拉數(shù)量及順序不合理，均有可能導(dǎo)致蓋梁下緣應(yīng)力超標(biāo)，蓋梁下緣開裂，因此有必要分析不同的鋼束張拉方式下蓋梁施工及運(yùn)營全過程的應(yīng)力狀態(tài)。本文選取了三種張拉模型，模型一為架梁前一次性張拉N1、N2鋼束；模型二為先張拉N1鋼束，架梁結(jié)束后張拉N2鋼束；模型三為先張拉N2鋼束，架梁結(jié)束后張拉N1鋼束，蓋梁施工全過程上下緣最大及最小應(yīng)力狀態(tài)對(duì)比如圖3所示。

圖3 蓋梁上下緣應(yīng)力變化圖

由圖3可見，在鋼束張拉階段，模型一蓋梁上緣最大壓應(yīng)力為9.89MPa，下緣最大拉應(yīng)力為-3.45MPa，模型二下緣最大拉應(yīng)力為-1.91MPa，根據(jù)橋規(guī)[6]第6.3、7條規(guī)定，拉應(yīng)力均已超過允許值，模型一最大壓應(yīng)力已接近規(guī)范允許值，而在上部荷載加載后，模型一、二、三上下緣應(yīng)力分布基本一致。計(jì)算結(jié)果表明，模型一導(dǎo)致蓋梁下緣過早開裂，上緣則受壓過大；而模型二上緣應(yīng)力雖未超標(biāo)，但下緣在張拉N1時(shí)拉應(yīng)力超標(biāo)，模型一、二蓋梁均在施工階段產(chǎn)生永久損傷。針對(duì)模型一、二蓋梁過早開裂問題，調(diào)整了鋼束的張拉批次，在架梁前先張拉下層鋼束N2，以減小張拉時(shí)蓋梁上緣的壓應(yīng)力及下緣的拉應(yīng)力，從計(jì)算結(jié)果來看，模型三最不利工況發(fā)生第四施工階段架梁結(jié)束并移除架橋機(jī)，此時(shí)上部T梁自重已全部傳遞至蓋梁，張拉第二批鋼束N1，蓋梁上緣最大壓應(yīng)力為7.92MPa，下緣拉應(yīng)力為-1.04MPa，均在合理范圍內(nèi)。

3.2 三維實(shí)體模型有限元分析

鋼筋混凝土蓋梁一般可按橋規(guī)[6]第8.2條規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。但隨著蓋梁懸臂加長(zhǎng)，柱頂截面內(nèi)力劇增，梁高相應(yīng)增加，進(jìn)入深梁范疇[7-9]，正截面變形不再符合平截面假定，受力機(jī)理與普通梁不同，規(guī)范計(jì)算方法不再適用。本工程大懸臂蓋梁跨高比l/h為1.9，屬于預(yù)應(yīng)力混凝土深受彎蓋梁，且橋梁呈斜交布置，受力較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維計(jì)算方法無法真實(shí)反饋蓋梁受力狀態(tài)，本文借助大型有限元分析軟件ANSYS建立三維實(shí)體有限元模型模擬蓋梁受力狀態(tài)。混凝土蓋梁、圓柱墩采用Solid95實(shí)體單元模擬；預(yù)應(yīng)力筋采用Link8桿單元模擬，此單元可承受軸向力而不能受彎，通過輸入初應(yīng)變施加預(yù)應(yīng)力，混凝土單元?jiǎng)澐殖叽缈刂圃?0cm內(nèi)。建立斜交大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁有限元實(shí)體模型如圖4。

圖4 蓋梁實(shí)體有限元模型圖

圖5 運(yùn)營階段最不利工況正應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

圖6 運(yùn)營階段最大主拉應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

為分析斜交大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁運(yùn)營階段力學(xué)性能，選取了運(yùn)營階段最不利工況下的支座荷載，對(duì)有限元實(shí)體模型進(jìn)行加載分析。蓋梁正應(yīng)力分布如圖5，最大主拉應(yīng)力如圖6，最不利荷載工況下蓋梁上下緣仍處于受壓狀態(tài)。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在張拉區(qū)域，最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在斜交較長(zhǎng)懸臂截面變化處下緣，為-0.7602MPa，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在斜交較長(zhǎng)懸臂張拉端附近，為2.864MPa。張拉端呈齒塊狀階梯形狀，該處應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)凸出擋塊，以避免削弱擋塊受力，同時(shí)應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)該區(qū)域配筋，以改善受力狀態(tài)。

圖7 蓋梁典型截面正應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

為分析斜交蓋梁懸臂部分應(yīng)力變化情況，提取了2個(gè)截面的正應(yīng)力分布如圖7所示。邊支座截面沿梁高及梁橫向應(yīng)力變化顯著，圍繞右側(cè)應(yīng)力集中處環(huán)向分布；懸臂根部截面上下緣壓應(yīng)力較小，梁高中部壓應(yīng)力較大，應(yīng)力等值線間距不等，截面上下緣等值線分布較密集，中部則分布較稀疏，沿蓋梁橫向等值線存在一定程度彎曲。分析結(jié)果表明，斜交異形蓋梁懸臂截面應(yīng)力分布較為復(fù)雜，無論是端部、根部截面應(yīng)力分布均不符合平截面假定，有必要進(jìn)行有限元實(shí)體模擬受力狀態(tài)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

對(duì)比二維桿系與三維實(shí)體模型在運(yùn)營階段的最不利受力情況，計(jì)算結(jié)果如下表1所示。分析發(fā)現(xiàn)，除上緣墩頂最小應(yīng)力外，其余應(yīng)力值較為接近，實(shí)體模型上緣墩頂壓應(yīng)力儲(chǔ)備為二維桿系模型的2.6倍，說明采用二維桿系模型計(jì)算結(jié)果偏于保守。

4 結(jié)論

通過對(duì)大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的二維桿系模擬、斜交異形大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁的三維實(shí)體有限元精細(xì)化模擬分析，得出以下結(jié)論：

表1 運(yùn)營階段正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

(1)因大懸臂蓋梁受力的特殊性，鋼束張拉順序?qū)⒅苯佑绊懮w梁施工階段的受力情況，鋼束過早張拉完成或錯(cuò)誤的張拉批次都將導(dǎo)致蓋梁受損。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行類似工程設(shè)計(jì)時(shí)，需詳盡分析預(yù)應(yīng)力蓋梁施工及運(yùn)營全過程受力情況，以確保結(jié)構(gòu)受力安全。

(2)斜交蓋梁懸臂端部呈斜交異形，張拉端按齒塊狀階梯布置，易導(dǎo)致應(yīng)力集中，齒塊狀張拉端應(yīng)凸出擋塊設(shè)計(jì)，以避免削弱擋塊受力，同時(shí)應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)該區(qū)域配筋，以改善受力狀態(tài)。

(3)斜交異形蓋梁懸臂部分應(yīng)力分布無法滿足平截面假定，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，有必要建立三維實(shí)體有限元模型精確模擬蓋梁異形懸臂部分受力狀態(tài)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

(4)目前榕嶺大橋已完成施工，1號(hào)墩斜交大懸臂蓋梁的張拉及架梁全過程受力及變形均未出現(xiàn)異常，目前狀況良好，如下圖8所示。

圖8 橋梁實(shí)景圖