簡支變連續(xù)橋負(fù)彎矩區(qū)長期性能研究

鄧園園

(湖南省公路設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410076)

簡支變連續(xù)橋梁不僅可以工廠制作且安裝簡單，還有行車舒適平順等優(yōu)點(diǎn)，且兼具簡支梁橋和連續(xù)梁橋的特點(diǎn)。簡支變連續(xù)橋梁具有預(yù)制梁的優(yōu)勢特性，提高施工質(zhì)量，同時(shí)使橋梁行車更加舒適。但是簡支變連續(xù)梁橋，負(fù)彎矩區(qū)橋面開裂問題比較典型[4-6]。

簡支變連續(xù)梁橋濕接縫澆筑完畢，一般需進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換。吊裝階段為靜定體系的簡支結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)連續(xù)后，需要按連續(xù)體系計(jì)算，這時(shí)應(yīng)考慮收縮徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力、次應(yīng)力以及內(nèi)力重分布等[7-9]。

簡支變連續(xù)梁橋同時(shí)均有簡支梁橋和連續(xù)梁橋的性能，墩頂負(fù)彎矩區(qū)受力狀態(tài)是該類橋梁要點(diǎn)，負(fù)彎矩區(qū)的配筋形式、有效應(yīng)力、收縮徐變等參數(shù)均會(huì)對(duì)彎矩區(qū)長期性能產(chǎn)生影響。本文以某4跨40 m簡支變連續(xù)T梁橋?yàn)楸尘?，利用MIDAS/civil軟件對(duì)全橋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，討論負(fù)彎矩區(qū)不同配筋形式、不同預(yù)應(yīng)力、不同徐變模式下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布。

1 簡支變連續(xù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

混凝土收縮徐變對(duì)簡支變連續(xù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生影響。超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生收縮徐變會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生徐變次內(nèi)力[9]。

簡支變連續(xù)結(jié)構(gòu)體系在連續(xù)前，徐變收縮已部分完成，對(duì)內(nèi)力分布的改變量減小。吊裝完成進(jìn)行濕接縫的澆筑，濕接縫以及整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生徐變，進(jìn)而使超靜定結(jié)構(gòu)的連續(xù)梁橋產(chǎn)生負(fù)彎矩，圖1為簡支變連續(xù)梁橋在恒定荷載作用下的內(nèi)力簡圖。

圖1 簡支變連續(xù)梁橋的恒載內(nèi)力簡圖

簡支結(jié)構(gòu)在時(shí)結(jié)構(gòu)自重彎矩，在時(shí)轉(zhuǎn)化為連續(xù)體系后，經(jīng)過混凝土徐變重分布，連續(xù)結(jié)構(gòu)中在時(shí)的彎矩，如式(1)所示。

Mgt=M1g+(M2g-M1g)×

{1-e-[φ(t,τ0)φ(τ,τ0)]}

(1)

式中：Mgt為恒載作用下彎矩；M1g為橋面板澆筑前整體結(jié)構(gòu)在恒載作用下的彎矩；M2g為橋面板澆筑后整體結(jié)構(gòu)在恒載作用下的彎矩；φ(t,τ0)為從加載齡期τ0至t時(shí)的徐變系數(shù)；φ(τ,τ0)為從加載齡期τ0至τ時(shí)的徐變系數(shù)。

連續(xù)結(jié)構(gòu)中在時(shí)的預(yù)加力彎矩Mpt可按式(2)、式(3)進(jìn)行計(jì)算：

{1-e-[φ(t,τ0)φ(τ,τ0)]}

(2)

(3)

2 工程概況

以某4 m×40 m簡支變連橋梁T梁橋?yàn)槔肕IDAS有限元分析軟件構(gòu)建計(jì)算模型，討論收縮徐變、負(fù)彎矩配筋、張拉情況對(duì)變連續(xù)梁橋內(nèi)力分布的影響規(guī)律。圖2、圖3為橋梁的立面圖和截面圖，其中圖2示意出了該橋跨數(shù)分布情況。

圖2 立面圖(單位:mm)

(a)支點(diǎn)截面

3 負(fù)彎矩區(qū)配筋設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS/CIVIL對(duì)該橋進(jìn)行理論模擬，按鉸接板法計(jì)算橫向分布系數(shù)，選取邊T梁進(jìn)行分析。圖4為MIDAS分析模型。表1對(duì)該橋的施工過程進(jìn)行了描述。第6階段主要用于考慮收縮徐變的影響，考慮長期影響10 a，計(jì)3 650 d，按對(duì)數(shù)函數(shù)自動(dòng)劃分為15個(gè)分步過程。表1中的收縮徐變模式，JTG-28表示采用JTG 336規(guī)范的收縮徐變模式進(jìn)行計(jì)算，加載凝期(存梁時(shí)間)為28 d。

圖4 計(jì)算模型

表1 施工過程Table Constructionprocess施工階段階段描述階段時(shí)間徐變模型1存梁及吊裝14/30/602墩頂負(fù)彎矩區(qū)澆注73張拉負(fù)彎矩區(qū)鋼束14支座轉(zhuǎn)化1JTGD62模型ACI徐變模型PCA徐變模型5施加二期荷載30610a收縮徐變3650

表1中所采用的收縮徐變模型主要包括：ACI模型[10]、PCA模型[11]，橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范JTG模型[12]，圖5展示了加載齡期為14 d的C50混凝土3種徐變模型下收縮應(yīng)變及徐變系數(shù)對(duì)比。

(a)收縮應(yīng)變對(duì)比

由圖5可知，隨著時(shí)間的增長，JTG模型與PCA模型具有相近的徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變，但徐變系數(shù)明顯高于ACI模型，ACI模型預(yù)測得到收縮終值比JTG模型小3.6倍。由圖5看出：不同的規(guī)范模型存在明顯差異。

3.2 分析結(jié)果

圖6為不同存梁時(shí)間JTG模型計(jì)算結(jié)果，圖6顯示：隨著存梁時(shí)間增加，墩頂負(fù)彎矩區(qū)上緣應(yīng)力有降低的趨勢，下緣應(yīng)力卻有增加的趨勢，截面曲率趨于合理。

圖6 結(jié)構(gòu)受力簡圖

表2 計(jì)算結(jié)果Table2 Summaryofcalculationresults計(jì)算模型墩頂截面應(yīng)力/MPa截面上緣截面下緣第2跨跨中位移/mmJTG-14-3.79-0.234.78JTG-30-3.68-0.384.07JTG-60-3.60-0.493.51PCA-14-3.87-0.114.53PCA-30-3.74-0.293.66PCA-60-3.63-0.443.03ACI-14-3.63-0.482.48ACI-30-3.52-0.622.06ACI-60-3.46-0.711.81

表2為JTG模型、PCA模型和ACI模型成橋10 a后應(yīng)力以及位移結(jié)果。PCA模型墩頂截面下緣應(yīng)力計(jì)算最小，JTG模型其次，ACI模型最大。

4 支座負(fù)彎矩區(qū)配筋設(shè)計(jì)

4.1 負(fù)彎矩區(qū)配筋設(shè)計(jì)

負(fù)彎矩配筋會(huì)影響結(jié)構(gòu)受力[13-14]，本文采用如下方案進(jìn)行配筋：①方案1：按簡支梁由荷載平衡法確定正彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋，在支座區(qū)裂縫寬度控制法進(jìn)行普通鋼筋設(shè)計(jì)。②方案2：按連續(xù)梁確定支座及跨中負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼筋。③方案3，采用支座負(fù)彎矩鋼束控制墩頂截面應(yīng)力。表3展示了不同方案配筋結(jié)果。圖7為方案3的配筋布置簡圖。

表3 配筋設(shè)計(jì)Table3 Designschemeofprestress-steel位置方案1方案2方案3跨中7×9-Φj15.244×9-Φj15.245×9-Φj15.24支座10×Φ258×4-Φj15.246×4-Φj15.24

(a)支座截面 (b)跨中截面

4.2 結(jié)果分析

分別對(duì)不同配筋方案在短期、長期作用下不同翼緣截面最大最小應(yīng)力進(jìn)行比較。

a.短期組合應(yīng)力分析。

圖8對(duì)比了3種方案下支座負(fù)彎矩區(qū)截面應(yīng)力情況，圖8僅表示出對(duì)稱結(jié)構(gòu)前2跨的情況。表4展示了不同配筋情況下支座截面應(yīng)力匯總，其中受壓為“-”受拉為“+”。

圖8 不同方案短期應(yīng)力對(duì)比(單位：MPa)

表4 方案支座截面應(yīng)力匯總Table4 SummaryofcrosssectionstressofschemesupportMPa方案截面下緣上緣最小最小最小最大方案11#墩-4.671.080.672.342#墩-3.850.750.911.23方案21#墩-7.75-1.87-2.41-0.602#墩-8.42-0.17-3.650.32方案31#墩-7.880.06-2.541.332#墩-7.900.88-3.141.37

對(duì)比3種方案發(fā)現(xiàn)方案3在應(yīng)力分布上較為合理。設(shè)計(jì)階段合理配筋優(yōu)化結(jié)構(gòu)上緣拉應(yīng)力并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的合理應(yīng)用。

b.長期組合應(yīng)力分析。

圖9及圖10展示了3種方案下徐變作用負(fù)彎矩區(qū)緣應(yīng)力對(duì)比。

圖9 徐變10 a后支座負(fù)彎矩區(qū)下緣應(yīng)力(單位：MPa)

圖10 徐變10 a后支座負(fù)彎矩區(qū)上緣應(yīng)力(單位：MPa)

由圖9、圖10可以看出，隨著成橋后時(shí)間的增大，在徐變作用下支座負(fù)彎矩區(qū)下緣應(yīng)力有增大的趨勢，而下緣壓應(yīng)力減小的趨勢減緩并趨于平衡，合理配筋可使應(yīng)力趨于均勻。

5 結(jié)論

以4跨40 m簡支變連續(xù)T梁橋?yàn)楸尘?，利用MIDAS/civil創(chuàng)建全橋結(jié)構(gòu)模型，討論負(fù)彎矩區(qū)不同配筋形式、不同預(yù)應(yīng)力、不同收縮徐變模型的影響。得出以下主要結(jié)論：

a.收縮徐變產(chǎn)生地長期效應(yīng)會(huì)較大地影響負(fù)彎矩的應(yīng)力分布，不同的收縮徐變模式對(duì)應(yīng)力影響較為明顯，簡支變連續(xù)橋梁，合理配筋可使應(yīng)力趨于均勻。

b.合理的配筋方案可有效地限制簡支變連續(xù)橋梁負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)階段應(yīng)合理設(shè)計(jì)墩頂負(fù)彎矩鋼束，使其既能限制截面上緣拉應(yīng)力又經(jīng)濟(jì)合理。