預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)分析

石 磊

(天津泰達城市軌道投資發(fā)展有限公司，天津 300457)

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋最大的特點就是橋梁的主墩采用墩梁結(jié)合的形式，這也是剛構(gòu)橋與其他橋最大的不同之處，采取墩梁結(jié)合這樣做可以減少橋梁在支座上的使用和運營中的養(yǎng)護的問題，減少了運營中的養(yǎng)護成本，也減少了橋墩和基礎(chǔ)的材料用量[1]。并且由于減少了支座的使用數(shù)量，這樣做有利于采取懸臂施工，給施工帶來了方便。預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋正是由于墩梁結(jié)合形成剛架，共同承受上部的荷載，使得受力更加的合理，并且還能更加充分地發(fā)揮橋梁結(jié)構(gòu)的潛能。由于連續(xù)剛構(gòu)橋是兼顧了剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的組合體，具有這兩種橋型的優(yōu)點，所以我們在在進行橋型選擇的時候應(yīng)該優(yōu)先考慮預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋[2]。基于此，文章以某市政工程預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋為例，綜合考慮最不利位置的影響，利用有限元分析軟件MIDASCivil完成整體模型，并分析其相應(yīng)的各項力學性能。

1 工程概況

1.1 工程簡介

文章所研究的橋梁為60m+105m+60m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，采用三跨一聯(lián)形式，橋梁全長225m，橋跨布置基本符合規(guī)范要求?？鐝讲贾萌鐖D1，橋面布置如圖2所示。

圖1 跨徑布置示意(單位：m)

本橋采用懸臂施工方法，箱型梁截面在結(jié)構(gòu)抗彎以及結(jié)構(gòu)抗扭方面具有比較良好的性能。并且在橋梁結(jié)構(gòu)中采用箱型梁截面有利于在截面上布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，并且更方便于預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉。此外箱型截面較其他截面形式而言收縮變形相當小并且箱形截面具有構(gòu)造靈活的特點，適用懸臂現(xiàn)澆的施工方法[3]。

(a)跨中截面

中支點截面中心線處梁高6.40m；跨中及邊跨直線段截面中心線處梁高2.90m；邊支點處截面中心線處梁高2.90m。底板厚度由于橋跨呈拋物線變化，底板隨之呈拋物線變化。底板在橋梁的中墩處厚度為150cm，在邊墩支點處厚度為40cm，在跨中厚40cm，按線性變化；頂板厚37cm。中墩處腹板厚度為85cm，而邊墩處腹板厚度為55cm。

1.2 主要材料

(1)混凝土：主橋箱梁采用C50混凝土；橋墩位置采用C40混凝土。

(2)鋼材：采用HPB300鋼筋和HRB400鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼絞線直徑為15.24mm。

(3)錨具：主橋采用OVM15-19錨具、OVM15-21錨具及OVM15-24錨具。

(4)橋面鋪裝：主橋采用水泥混凝土和瀝青混凝土兩種材料進行橋面鋪裝，并且設(shè)置相應(yīng)的防水材料。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 模型參數(shù)

運用有限元分析軟件MIDASCivil完成整體模型的建模。在建模過程中，主梁用梁單元模擬，共采用161個梁單元，全橋共106個節(jié)點，整體模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模型示意

建模所采用的材料參數(shù)及邊界約束條件分別見表1、表2。

表1 混凝土參數(shù)

表2 鋼筋材料參數(shù)

2.2 主要設(shè)計荷載

(1)結(jié)構(gòu)自重按GB/T51234-2017《城市軌道交通橋梁設(shè)計規(guī)范》采用，主梁采用C50混凝土，容重取26kN/m3。

(2)二期：橋面鋪裝和欄桿、路燈、防護欄等,二期荷載取值為68.6kN/m。

(3)掛籃：在懸臂現(xiàn)澆施工階段，掛籃要提前作用在上一塊已完成的梁段，不過也因此給橋梁帶來相應(yīng)的掛籃荷載。掛籃荷載取1 000kN。

(4)濕重：在橋梁施工中，由于混凝土的水化反應(yīng)的持續(xù)進行，混凝土結(jié)構(gòu)的濕重將給橋梁結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的濕重荷載。

(5)吊籃：在施工階段進行邊跨合龍和中跨合龍時，要進行模板的架設(shè)，架設(shè)過程需要利用吊籃，吊籃荷載取為130kN。

(6)預(yù)應(yīng)力：本次設(shè)計中的預(yù)應(yīng)力鋼筋都采用兩端同時進行張拉。相應(yīng)的張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1395N/mm2。

2.3 內(nèi)力檢算

2.3.1 二期恒載

二期恒載取值為68.6kN/m，在一期、二期恒載作用下，經(jīng)過MIDAS的計算。在施工階段，模型最大的彎矩為33 752.01kN·m。剪力最大的值為26 919.36kN。

2.3.2 溫度荷載下的內(nèi)力

本次設(shè)計建模用橋梁整體升溫：用20 ℃來進行模擬；整體降溫：用-20 ℃來進行模擬。經(jīng)MIDAS的計算，模型的彎矩最大值6 868.07kN·m，剪力的最大值為97.89kN。

2.3.3 墩臺沉降內(nèi)力

此橋梁以墩臺沉降20mm進行沉降內(nèi)力計算，模型的彎矩最大值18 335.99kN·m。最大剪力469.67kN。

2.3.4 活載作用內(nèi)力

此橋采用三車道，均布荷載為10.5kN/m，集中荷載為360kN，考慮橫向折減、縱向折減和汽車荷載沖擊力等因素，經(jīng)MIDAS的計算，彎矩最大值為17 672.45kN·m，最大剪力2 502.55kN。

2.3.5 正常使用極限狀組合

根據(jù)JTGD60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，公路橋涵結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，采用作用短期效應(yīng)組合、永久作用與可變作用相結(jié)合，其效應(yīng)組合表達式為：

由圖4可知，在這種情況下的最大值彎矩為-4.448×1010kN·m。

圖4 作用短期效應(yīng)狀態(tài)組合彎矩(單位：kN·m)

2.4 次內(nèi)力檢算

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋由于多方面的原因，在各種作用之下會發(fā)生一定的強迫變形。在這種情況下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的反力作用于結(jié)構(gòu)本身稱為附加應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力。導致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次內(nèi)力的原因有很多，大體可分為內(nèi)部原因和外部原因兩類。例如：墩臺沉降、溫度的影響、預(yù)應(yīng)力的施加等外部因素的影響，以及諸如混凝土的收縮徐變的影響、截面的構(gòu)造形式的變化等，都會產(chǎn)生次內(nèi)力[4]。

2.4.1 混凝土收縮次內(nèi)力計算

連續(xù)剛構(gòu)橋，是超靜定結(jié)構(gòu)，由凝土的收縮變形而引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力上的變化，這就是收縮次內(nèi)力?；炷潦湛s是影響結(jié)構(gòu)次內(nèi)力的重要因素，經(jīng)計算最大的彎矩值為477.25kN·m，最大的剪力值為-79.54kN。

2.4.2 混凝土徐變次內(nèi)力計算

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋產(chǎn)生次內(nèi)力，歸其根本原因還是由于混凝土結(jié)構(gòu)本身的收縮徐變造成的，在計算時主要考慮：

(1)在先期由于結(jié)構(gòu)的自重所產(chǎn)生的彎矩，在后期會進行重新分配。

(2)在先期結(jié)構(gòu)上的由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩，重分配后在后期結(jié)構(gòu)中的彎矩。

通過MIDAS計算，最大彎矩值為19 518.3kN·m，最大的剪力值為-325.3kN。結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力受混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變有較大的影響。

2.4.3 預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力計算

在計算時，MIDAS程序采用的是等效荷載法來進行模擬。其作用原理是將鋼筋和混凝土的作用分別進行考慮，用力來代替模擬出鋼筋對混凝土的作用。在MIDAS中定義荷載工況鋼束一、二次來進行計算。

(1)鋼束一次：產(chǎn)生位移不產(chǎn)生反力。

(2)鋼束二次：不產(chǎn)生位移但產(chǎn)生反力。

經(jīng)計算，結(jié)構(gòu)次內(nèi)力受預(yù)應(yīng)力的影響較大，彎矩的最大值為59 389.5kN·m，剪力的最大值為-482.97kN。

2.4.4 溫度次內(nèi)力計算

由JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，計算溫度變化等效荷載，可如下計算：

2.4.5 基礎(chǔ)沉降次內(nèi)力計算

因為每個不同的支座處都存在著不同大小的豎向支座反力，同時不同位置處的地質(zhì)條件也有著一定的差異，這些都是可能導致支座發(fā)生不均勻沉降的原因。對于連續(xù)剛構(gòu)橋，墩臺的沉降對其有著十分大的影響，結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要由墩臺沉降引起的內(nèi)力構(gòu)成。我們要明確沉降次內(nèi)力只與墩臺之間的相對沉降相關(guān)，與各墩臺之間的絕對沉降無直接聯(lián)系。本次設(shè)計中墩臺分別給予20mm的沉降，所得到的內(nèi)力進行疊加，取最不利的內(nèi)力情況。經(jīng)計算，支座的沉降會導致較大的次內(nèi)力，彎矩的最大值為-28 180.4kN·m，最大值位置在中墩處。

2.5 承載能力極限狀態(tài)分析

承載能力極限狀態(tài)組合彎矩包絡(luò)圖見圖5。

圖5 承載能力極限狀態(tài)組合彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

3 結(jié)論

(1)進行橋梁的橋跨布置，要根據(jù)具體采用的施工方法來對梁分節(jié)段，由于本設(shè)計采用的是懸臂現(xiàn)澆的施工方法，所以將梁段按照3m到5m進行分段，合龍段處按1m劃分。這樣做可以減小梁段在施工階段的濕重，保障施工安全。

(2)墩臺沉降、溫度、混凝土的收縮徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力的計算是很有必要的。