大挑臂復(fù)合截面節(jié)段梁后裝挑臂縱向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)研究

嚴(yán) 搏，郭 濟(jì)，盧永成

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

目前國內(nèi)常規(guī)節(jié)段拼裝的預(yù)制混凝土大箱梁，一般在橋面較窄時采用單箱單室斷面，當(dāng)橋面較寬時，受到運(yùn)輸寬度和重量的制約，多采用分體式多箱斷面，工程設(shè)備投入套數(shù)多，墩頂橫梁施工難度大，工期較長、造價高，景觀效果也難以令人滿意。隨著預(yù)制拼裝橋梁技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，采用橫向分段拼裝的大挑臂復(fù)合截面節(jié)段梁體系開始逐漸受到重視。

大挑臂復(fù)合截面節(jié)段梁由核心梁段和后裝挑臂兩部分復(fù)合組成，兩部分均為節(jié)段拼裝的預(yù)制混凝土構(gòu)件，如圖1所示。與常規(guī)節(jié)段梁相比，此類橫向分段的主梁斷面，具有節(jié)段尺寸小、重量輕的特點(diǎn)，能夠在不破壞傳統(tǒng)優(yōu)選斷面構(gòu)型的前提上，實(shí)現(xiàn)寬幅橋梁的橫向分段預(yù)制、運(yùn)輸及拼裝，有效降低了主梁施工對機(jī)具設(shè)備的要求。大挑臂復(fù)合截面節(jié)段梁在國外已有不少成功應(yīng)用的經(jīng)典案例，如馬來西亞的檳城雙溪Prai橋引橋、捷克的Vrsovice橋、沙特阿拉伯利雅得的Qurashiyah高架橋等，但國內(nèi)對于此類橋梁的理論研究與試驗研究還相對滯后。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)斷面分解圖

大挑臂復(fù)合截面節(jié)段梁在施工中一般先形成核心縱梁體系，張拉部分鋼束，隨后在其基礎(chǔ)上添加兩側(cè)挑臂，再張拉剩余鋼束，即從張拉時間上來區(qū)分，其預(yù)應(yīng)力體系含有先張束與后張束兩種。

核心縱梁的施工與常規(guī)節(jié)段梁類似，基于預(yù)制拼裝的施工效率、維養(yǎng)難度和工程造價，一般采用混合配束預(yù)應(yīng)力體系[1-2]。大挑臂復(fù)合截面節(jié)段梁的設(shè)計重點(diǎn)之一在于如何保證后裝挑臂的受力性能。由于后裝挑臂常為肋板式結(jié)構(gòu)，頂板厚度不大，且挑臂分段拼裝過程中，挑臂與核心梁段、挑臂與挑臂之間均有一定拼裝誤差，疊加橋梁路線自身的縱坡、平曲線、超高等影響，使得在挑臂節(jié)段頂板的鋼束預(yù)埋管道很難精確對齊，而現(xiàn)場穿束往往較為困難，因此后裝挑臂一般僅在最外側(cè)小縱梁內(nèi)設(shè)置一定縱向體內(nèi)束。

常見的配束方式如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼束圖（單位：cm）

由于后裝挑臂最外側(cè)小縱梁的鋼束布設(shè)空間有限，挑臂的縱向受力性能大部分依靠于核心段縱向鋼束所傳遞的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)?？紤]先張束張拉時挑臂未安裝，因此后裝挑臂的縱向受力性能主要源于核心段后張束的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。

考慮核心主梁后張拉鋼束的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)是根據(jù)一定比例在核心主梁、后裝挑臂之間進(jìn)行分配，在構(gòu)造尺寸一定的情況下，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)分配的比例與鋼束的傳力路徑有很大關(guān)系。不同鋼束類型的傳遞路徑有明顯區(qū)別，例如設(shè)于頂板的體內(nèi)束直接通過頂板傳遞預(yù)應(yīng)力效應(yīng)給挑臂，而體外束則先傳遞給核心梁的橫梁與轉(zhuǎn)向塊節(jié)段，再進(jìn)一步傳遞給挑臂部分。此外，鋼束距挑臂的橫向距離也對傳力路徑有影響。因此我們以鋼束類型和鋼束橫向位置為參數(shù)，研究核心段后張束對挑臂預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響。

1 鋼束類型對挑臂預(yù)應(yīng)力效應(yīng)影響

1.1 評價指標(biāo)確定

對于順橋向挑臂各關(guān)鍵截面，我們用單位體積后張束產(chǎn)生的作用效應(yīng)來反映預(yù)應(yīng)力的傳遞效率，定義如下：

式中：Q為預(yù)應(yīng)力傳遞效率，kN/m3；F為關(guān)鍵截面軸力，kN；V為鋼束體積，m3。

參數(shù)Q越高，表示該類型的鋼束作為后張束，對挑臂的預(yù)應(yīng)力傳遞效率越高，更適合作為后張拉鋼束。

1.2 有限元模型概述

利用MidasCivil建立全橋空間桿系有限元模型，整體坐標(biāo)系X，Y，Z軸，分別代表縱橋向、橫橋向和豎向?？鐝讲贾?×50m，橋?qū)?5.5m，其中核心主梁、挑臂、挑臂肋板采用梁單元模擬，體外預(yù)應(yīng)力鋼束、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束采用桁架單元模擬。體外束在轉(zhuǎn)向及錨固處通過剛臂與主梁節(jié)點(diǎn)連接，體內(nèi)束在每道肋板處通過虛擬梁與挑臂和核心主梁連接，支座處采用彈性連接模擬支座剛度，如圖3所示。主梁材料采用等級為C55混凝土。按照核心梁段先行，挑臂后裝的施工方法，進(jìn)行施工過程模擬，預(yù)制構(gòu)件齡期均考慮180d。

圖3 Midas空間桿系有限元模型

1.3 鋼束形式影響分析

為了研究鋼束類型對后裝挑臂預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響，方便起見，鋼束橫向位置保持不變，分析后張拉頂板體內(nèi)束、底板體內(nèi)束、單跨體外束、多跨體外束對挑臂的預(yù)應(yīng)力傳遞效率情況。

體內(nèi)束采用Фs15.2-15規(guī)格，張拉應(yīng)力為1395MPa。頂板體內(nèi)束在墩頂負(fù)彎矩區(qū)布置，根據(jù)鋼束長度分為T1、T1’鋼束；頂板體內(nèi)束T2通長布置，底板體內(nèi)束T3在各跨跨中布置。

體外束采用Фs15.2-27規(guī)格，張拉應(yīng)力為1209MPa。鋼束布置分為單跨體外束和多跨體外束，W1表示布置在第一跨的體外束，W12表示布置在第一、二跨的體外束，以此類推。

各鋼束布置簡圖如圖4～圖6所示。

圖4 鋼束布置簡圖1

圖5 鋼束布置簡圖2

圖6 鋼束布置簡圖3

各鋼束類型對后裝挑臂的預(yù)應(yīng)力效率對比如圖7所示。

圖7 鋼束類型效率對比圖

從圖7可以看出，墩頂頂板體內(nèi)束對后裝挑臂大部分區(qū)域的預(yù)應(yīng)力傳遞效率均最高，且長束T1比短束T1’效果更好；對于邊支點(diǎn)到邊跨跨中區(qū)域，通長頂板體內(nèi)束T2、單跨體外束W1、W3及雙跨體外束W12、W23效率較高。

考慮張拉鋼束一般在順橋向?qū)ΨQ布置，因此再次對比T1、T1’、T2、（W1+W3）、（W12+W23）五種張拉工況，其預(yù)應(yīng)力效率如圖8所示。

從圖8可以看出，對于邊跨，T2鋼束類型的預(yù)應(yīng)力傳遞效率略高，（W1+W3）、（W12+W23）工況基本一致；但對于中跨，除T1、T1’類型鋼束外，（W12+W23）的傳遞效率明顯更優(yōu)，（W1+W3）其次，T2最低。

圖8 預(yù)應(yīng)力效率對比圖

綜上所述，基于后張束對后裝挑臂的預(yù)應(yīng)力傳遞效率，可以認(rèn)為設(shè)于墩頂?shù)捻敯弩w內(nèi)束作為后張束是更有優(yōu)勢的，且長束效果優(yōu)于短束，這種布置方式也能很好的匹配挑臂的成橋應(yīng)力狀況。由于墩頂體內(nèi)束總量有限，當(dāng)須進(jìn)一步提高邊跨后裝挑臂縱向受力性能時，可考慮后張拉通長頂板體內(nèi)束或雙跨體外束作為補(bǔ)充。

2 鋼束橫向位置對挑臂預(yù)應(yīng)力效應(yīng)影響

2.1 有限元模型概述

由于設(shè)于墩頂?shù)捻敯弩w內(nèi)束更適合作為后張束，為了更精確的模擬該類型鋼束對挑臂的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，采用MidasFEA建立半聯(lián)實(shí)體模型，核心主梁、挑臂、挑臂肋板均采用六面體實(shí)體單元模擬，中支點(diǎn)底板支座處進(jìn)行固定約束，邊支點(diǎn)底板支座處縱向放開，橫向、豎向約束。主梁材料等級C55混凝土，如圖9所示。

圖9 FEA實(shí)體模型

2.2 鋼束橫向位置影響分析

鋼束在墩頂布置，采用Фs15.2-15規(guī)格，張拉應(yīng)力1395MPa，鋼束橫向距核心梁邊腹板0.15m。其對挑臂的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)如圖10所示。

由圖10可知，鋼束對后裝挑臂的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)以一定角度擴(kuò)散至挑臂上。在預(yù)應(yīng)力效應(yīng)擴(kuò)散區(qū)域，如圖示斷面1，后裝挑臂外側(cè)應(yīng)力小，內(nèi)側(cè)應(yīng)力大，內(nèi)外側(cè)應(yīng)力不均勻程度較高；預(yù)應(yīng)力效應(yīng)擴(kuò)散至整個挑臂后，如圖示斷面2，挑臂內(nèi)外側(cè)應(yīng)力較均勻；對于擴(kuò)散角外的區(qū)域，挑臂頂板有一定的拉應(yīng)力存在。

圖10 挑臂縱向應(yīng)力圖（單位：MPa）

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)模型，我們通過改變后張拉鋼束距邊腹板的橫向距離D，來研究鋼束橫向位置對后裝挑臂預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響，如圖11所示。

圖11 鋼束布置示意圖（單位：cm）

分別對斷面1、2，研究鋼束不同橫向位置的挑臂應(yīng)力情況，如圖12和圖13所示，其中橫坐標(biāo)為鋼束距邊腹板橫向距離，縱坐標(biāo)為挑臂頂板應(yīng)力。

圖12 挑臂應(yīng)力對比圖-斷面1（單位:MPa）

圖13 挑臂應(yīng)力對比圖-斷面2（單位:MPa）

從圖12結(jié)果可見，鋼束橫向位置對挑臂內(nèi)側(cè)應(yīng)力影響較大，外側(cè)基本無影響。從鋼束距邊腹板0.15m變化至3.15m，挑臂內(nèi)側(cè)頂板應(yīng)力逐漸降低，其中頂緣約減小45%，底緣約減小35%。從圖13結(jié)果可見，鋼束的橫向位置對支點(diǎn)附近的挑臂應(yīng)力影響不大。

綜上，核心段墩頂體內(nèi)束的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)以一定角度擴(kuò)散至后裝挑臂。在預(yù)應(yīng)力效應(yīng)擴(kuò)散區(qū)域，后裝挑臂外側(cè)應(yīng)力小，內(nèi)側(cè)應(yīng)力大，內(nèi)外側(cè)應(yīng)力不均勻程度較高，鋼束的橫向位置主要影響挑臂內(nèi)側(cè)應(yīng)力；預(yù)應(yīng)力效應(yīng)擴(kuò)散至整個挑臂后，挑臂內(nèi)外側(cè)應(yīng)力較均勻，鋼束的橫向位置對挑臂應(yīng)力影響不大。因此建議后張束貼近后裝挑臂布置并采用長束，能有效增加挑臂內(nèi)側(cè)應(yīng)力，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的有效影響區(qū)域。

對于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)擴(kuò)散角外區(qū)域，挑臂有一定的拉應(yīng)力存在。為改善該區(qū)域的縱向受力性能，挑臂外側(cè)小縱梁可設(shè)置一定縱向體內(nèi)束。在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，挑臂外側(cè)小縱梁設(shè)置體內(nèi)束，鋼束采用Фs15.2-5規(guī)格，張拉應(yīng)力1395MPa，應(yīng)力情況如圖14所示。

圖14 挑臂縱向應(yīng)力圖（單位：MPa）

可以看出，挑臂外側(cè)小縱梁設(shè)置一定縱向體內(nèi)束后，能有效增加挑臂外側(cè)的壓應(yīng)力，使挑臂內(nèi)外側(cè)應(yīng)力不均勻程度降低。

3 結(jié) 論

本文以3×50m大挑臂復(fù)合截面節(jié)段梁為例，對復(fù)合截面節(jié)段梁后裝挑臂的縱向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行了一系列研究。研究結(jié)果表明：

（1）在多種鋼束類型中，設(shè)于墩頂?shù)捻敯弩w內(nèi)束預(yù)應(yīng)力傳遞效率更高，更適合作為后張束；

（2）后張束貼近后裝挑臂布置并采用長束，能有效增加挑臂內(nèi)側(cè)應(yīng)力，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的有效影響區(qū)域。由于墩頂體內(nèi)束總量有限，當(dāng)須進(jìn)一步提高邊跨后裝挑臂縱向受力性能時，可考慮后張拉通長頂板體內(nèi)束或雙跨體外束作為補(bǔ)充；

（3）挑臂外側(cè)小縱梁處設(shè)置體內(nèi)束，能有效改善挑臂外側(cè)的縱向受力性能，彌補(bǔ)核心段后張束的不足。