大噸位預(yù)應(yīng)力T梁設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葉長(zhǎng)宏

(武漢市建設(shè)工程設(shè)計(jì)審查和消防驗(yàn)收中心，湖北 武漢 430015)

預(yù)應(yīng)力T梁是公路橋梁結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要組成部分，T梁質(zhì)量的好壞對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性有著直接影響。隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的不斷發(fā)展，在大跨徑T梁設(shè)計(jì)中使用高標(biāo)號(hào)混凝土、高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線和大噸位群錨越來(lái)越普遍，實(shí)踐證明優(yōu)點(diǎn)多，但也存在許多亟需解決的問題，比如局部應(yīng)力過大、梁體變形不易控制，預(yù)應(yīng)力損失過大等，這些問題還需要在工程實(shí)踐中進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)，總結(jié)探索規(guī)律。

1 工程概況

武漢市三環(huán)線跨越漢江的長(zhǎng)豐橋，橋型方案研究的重點(diǎn)是主橋、引橋的橋型、孔跨大小和預(yù)應(yīng)力鋼束布置。按使用功能、孔跨及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工程數(shù)量、施工條件及工期、防護(hù)維修以及建筑造型這六個(gè)方面進(jìn)行比選，兩側(cè)引橋選擇了33 m預(yù)應(yīng)力T梁和20 m跨的預(yù)應(yīng)力大孔板作為實(shí)施方案。該橋33 m的T梁共設(shè)置3束預(yù)應(yīng)力筋，2束9根直徑15.24鋼絞線，1束12根直徑15.24鋼絞線，共用30根直徑15.24鋼絞線，總重量為1 127.6 kg，采用了直徑80 mm和直徑90 mm兩種波紋管，單片梁的C50混凝土用量為28.222 m，普通鋼筋用量為4 526 kg，OVM15-12型錨具二套，OVM15-9型錨具四套。較之以前采用低強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線有明顯優(yōu)勢(shì)，整體預(yù)應(yīng)力鋼束布置簡(jiǎn)潔，定位明確，施工中張拉、灌漿方便快捷，縮短了工期。

2 T梁構(gòu)造及鋼筋布置

本橋預(yù)應(yīng)力T梁分為邊梁和中梁兩種，設(shè)計(jì)梁長(zhǎng)32.96 m，設(shè)計(jì)梁高2 m，中梁寬1.8 m，邊梁寬2.3 m，其外懸臂長(zhǎng)1.33 m。梁端腹板寬0.46 m，中腹板寬0.18 m，腹板在距梁端2.88 m處沿縱向漸變，全梁共設(shè)置7道橫隔板。梁頂板設(shè)置1.5%的橫坡，順橋向縱坡采用2%的楔形預(yù)埋鋼墊板處理。

T梁預(yù)制和現(xiàn)澆部分采用C50混凝土，封端采用C40混凝土；預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用符合美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的ASTMA-87a中的270級(jí)低松弛鋼絞線，公稱直徑15.24 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860 MPa。張拉控制應(yīng)力為0.7=1 302 MPa，采用張拉程序：0→初應(yīng)力5 t(測(cè)伸長(zhǎng)值)→控制噸位(持荷2 min)(測(cè)伸長(zhǎng)值)→錨固，張拉完畢立即壓漿。配套機(jī)具采用OVM15-9和OVM15-12型群錨及YCW-250型千斤頂，預(yù)應(yīng)力管道成型采用波紋管。

邊、中梁內(nèi)力分析采用橫向鉸接法計(jì)算橫向分布，考慮施工方便，將邊、中梁預(yù)應(yīng)力鋼束同等配置，均布置2束9根和1束12根鋼絞線，按不同的計(jì)算半徑在梁端彎起，鋼束每端預(yù)留0.7 m工作長(zhǎng)度，按從下到上的順序依次張拉，預(yù)應(yīng)力鋼束構(gòu)造見。

梁內(nèi)普通鋼筋的布置，要充分關(guān)注梁端錨下混凝土的局部應(yīng)力，設(shè)置螺旋筋可有效提高其抵抗能力。預(yù)應(yīng)力鋼束的定位鋼筋布置要牢固可靠，間距均勻適中，頂板濕接頭和橫隔板處均要預(yù)留足夠長(zhǎng)的錨固鋼筋，馬蹄處鋼筋應(yīng)閉合布置，支座及頂腹板相接腋處要配置加強(qiáng)鋼筋。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁的受力明確，在承載能力極限狀態(tài)，對(duì)預(yù)應(yīng)力梁跨中、端部等截面進(jìn)行多種荷載組合的內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算時(shí)要考慮溫度應(yīng)力的影響。對(duì)端部支座處的支承截面，要控制剪應(yīng)力，調(diào)整合適的鋼絞線彎起角，用預(yù)應(yīng)力的豎直分力抵消部分不利剪力作用，防止開裂。確定預(yù)應(yīng)力束的彎起點(diǎn)和彎起半徑，首先要定好端錨的位置，既滿足規(guī)范要求，也滿足張拉過程中千斤頂?shù)葯C(jī)具的尺寸要求，反復(fù)試算，結(jié)合正常使用狀態(tài)和施工階段的要求，綜合確定錨板位置。采用midas Civil計(jì)算主梁內(nèi)力。

3.1 主梁內(nèi)力模擬計(jì)算

二期荷載自重計(jì)算：二期自重作用集度與防撞護(hù)欄集度之和、橋面鋪裝，欄桿的重量均勻分布在全橋計(jì)算結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)力。

承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力組合：作用組合計(jì)算，1.2恒載+0.5倍支座沉降內(nèi)力+1.4×汽車荷載(max/min)(考慮汽車沖擊力)+0.8×1.4×溫度內(nèi)力。采用midas Civil計(jì)算得到跨中、1/4、1/8、1/16處截面承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力，如表1所示。

表1 承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力

3.2 跨中撓度計(jì)算

按正常使用狀態(tài)計(jì)算梁跨中撓度，主要控制不超過規(guī)范規(guī)定的容許撓度值。實(shí)際施工中設(shè)置合理的反拱來(lái)平衡橋面鋪裝等二期荷載所產(chǎn)生的向下?lián)隙?，保證橋面鋪裝層厚度均勻。作為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，各個(gè)受力階段梁跨中截面均不能出現(xiàn)裂縫。張拉后跨中截面上緣應(yīng)力控制在2 MPa的壓應(yīng)力附近，以克服計(jì)算簡(jiǎn)化假定或圖式與實(shí)際的不一致，以及剪力滯、局部應(yīng)力等的不利影響，該值不易過大，否則容易導(dǎo)致縱向裂縫的產(chǎn)生。由于該梁使用了大噸位群錨，所以錨下混凝土的局部應(yīng)力要倍加關(guān)注，按局部應(yīng)力計(jì)算配置足夠的螺旋鋼筋并設(shè)置充足的構(gòu)造鋼筋，防止混凝土開裂，主梁在正常使用狀態(tài)下的最大跨中撓度為0.04 m。

3.3 預(yù)應(yīng)力損失分析

(1)T梁模型參數(shù)設(shè)置

采用midas Civil計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失，33 m T梁(邊跨中梁)有3束預(yù)應(yīng)力鋼束，編號(hào)分別為、、?？紤]施工方便，將邊、中梁預(yù)應(yīng)力鋼束同等配置，均布置2束9根和1束12根鋼絞線，并按不同的計(jì)算半徑在梁端彎起，鋼束每端預(yù)留0.7 m工作長(zhǎng)度，按從下到上的順序依次張拉。

計(jì)算采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件midas Civil，計(jì)算參數(shù)按設(shè)計(jì)參數(shù)取為：混凝土的重力密度為=26.0 kN/m，彈性模量=3.45×104 MPa；預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量=1.95×105 MPa，松弛率=0.035，松弛系數(shù)=0.3；錨具變形、鋼筋回縮按6 mm(一端)計(jì)算；金屬波紋管摩阻系數(shù)=0.15、=0.001 5?？紤]張拉后90 d的收縮徐變。

(2)鋼束預(yù)應(yīng)力損失

①預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積計(jì)算

此類橋型結(jié)構(gòu)為部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件，按照J(rèn)TG62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》正截面抗裂性要求計(jì)算跨中截面所需要的有效預(yù)加應(yīng)力。并分析結(jié)構(gòu)加固的必要性。

(1)

取T梁跨中彎矩最大的截面進(jìn)行正截面承載力設(shè)計(jì)分析。按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》T梁截面計(jì)算公式，求出受壓區(qū)高度，根據(jù)鋼筋截面布置情況，可求出正截面抗彎承載力，計(jì)算公式如下

=′(-2)

(2)

式中：為正常使用階段荷載作用短期效應(yīng)組合下彎矩值，kN·m；為預(yù)應(yīng)力鋼束合力作用點(diǎn)至截面重心軸的距離，m。

(3)

式中：,為體外預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制力，MPa；為預(yù)應(yīng)力折減系數(shù)。

②預(yù)應(yīng)力鋼束損失計(jì)算

midas Civil軟件可以直接輸出T梁截面預(yù)應(yīng)力束的有效預(yù)應(yīng)力，張拉控制應(yīng)力與該有效預(yù)應(yīng)力之差即為預(yù)應(yīng)力損失。本T梁設(shè)計(jì)為后張法，主要包括如下各項(xiàng)因素帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力損失：(1)預(yù)應(yīng)力鋼筋與管之間的摩擦/1；(2)錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮2；(3)混凝土的彈性壓縮4；(4)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛5；(5)混凝土的收縮和徐變6。

正常使用極限狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力鋼筋中鋼束的預(yù)應(yīng)力為：

,=10,-2-4-5-6

(4)

鋼束中水平中束的極限應(yīng)力,=計(jì)算如下：

,=,+0.03

(5)

=(,,+)+7,

(6)

表2給出了不同截面處預(yù)應(yīng)力鋼束損失的百分比，經(jīng)過計(jì)算，鋼束中間預(yù)應(yīng)力損失比端部大；預(yù)應(yīng)力鋼束的總體預(yù)應(yīng)力損失較鋼束、要小一些，預(yù)應(yīng)力鋼束的總預(yù)應(yīng)力損失最大。

表2 總體預(yù)應(yīng)力損失百分比

(2)百分比表示鋼束、、在梁體端部、1/4跨和跨中截面的張拉控制應(yīng)力與總預(yù)應(yīng)力損失的百分比。

4 施工控制和靜載試驗(yàn)

在T梁整體架設(shè)之前，分別在試驗(yàn)T梁的1/4截面、跨中截面、3/4截面底部和腹板貼電阻應(yīng)變片，用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量加載過程中的應(yīng)變的變化情況；在T梁的1/4截面、跨中、3/4截面以及支座處設(shè)有百分表來(lái)測(cè)量T梁的撓度變化情況。同時(shí)在加載過程中，隨時(shí)觀察T梁表面可能出現(xiàn)的裂縫情況。

針對(duì)施工階段，梁體采用波紋管成孔，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的孔道摩擦系數(shù)較小，可取0.2～0.23。施工吊裝預(yù)留的孔洞位置應(yīng)靠近支座中心線附近，保證施工吊裝條件下梁體的受力狀態(tài)變化不大。

T梁張拉預(yù)應(yīng)力之前，梁跨中下拱度設(shè)為6 cm，沿跨徑采用二次拋物線變化。鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼束1的張拉控制力為164 052 kg，施工張拉控制兩端平均引伸量為109 mm，第一批張拉；預(yù)應(yīng)力鋼束2的張拉控制力為164 052 kg，施工張拉控制兩端平均引伸量為108 mm，第二批張拉；預(yù)應(yīng)力鋼束3的張拉控制力為218 736 kg，施工張拉控制兩端平均引伸量為108 mm，第三批張拉。

梁體安裝之前，對(duì)中梁進(jìn)行了靜載試驗(yàn)。33 m中梁跨中和梁端加載模式，如圖4所示，試驗(yàn)梁加載前，支座按設(shè)計(jì)位置及尺寸布置，做到平整、受力均勻，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。正式加載前，先進(jìn)行幾次預(yù)載，預(yù)加載最大荷載取30%外荷。梁體跨中壓重為354 kN，端部壓重為576 kN，壓重等效于橋面鋪裝和活載之和。加載時(shí)，荷載與梁縱對(duì)稱布置，分四級(jí)加載，各級(jí)載重為總壓重的25%，間歇t≥30 min。

加載停10 min進(jìn)行觀測(cè)，荷載加重至設(shè)計(jì)壓重后停留2 h進(jìn)行觀測(cè)?？缰屑虞d時(shí)，測(cè)下緣正應(yīng)力和跨中撓度，計(jì)算荷載撓度為19 mm，下緣計(jì)算正應(yīng)力為9.283 MPa；梁端加載時(shí)，測(cè)支座附近梁中性軸處的主拉應(yīng)力(45°方向)和相應(yīng)的裂縫寬度，計(jì)算主拉應(yīng)力為0.832 MPa，裂縫寬度容許值為0.2 mm。試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果十分接近，裂縫寬度也滿足要求，試驗(yàn)結(jié)果表明該梁符合設(shè)計(jì)要求。

通過每年的橋梁定期檢測(cè)，進(jìn)行橋梁靜載和動(dòng)載試驗(yàn)，觀測(cè)其混凝土內(nèi)部缺陷、內(nèi)部鋼筋銹蝕、同時(shí)測(cè)混凝土裂縫的寬度。對(duì)橋梁進(jìn)行深度檢測(cè)后，檢查橋梁的健康狀況，建立全橋梁技術(shù)狀況相關(guān)的檔案，并進(jìn)行定期維護(hù)。檢測(cè)表明該橋自2001年竣工通車以來(lái)，梁體完好，受力正常，說明T梁采用的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線和大噸位群錨是合理有效的。

5 結(jié) 論

(1)通過計(jì)算分析結(jié)果可知，大噸位預(yù)應(yīng)力T梁所采用的設(shè)計(jì)方法可行。

(2)大噸位預(yù)應(yīng)力T梁鋼束預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算表明，在1/4截面預(yù)應(yīng)力最大的損失可達(dá)20%以上，在跨中可達(dá)16%以上，存在較大預(yù)應(yīng)力損失，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力鋼束、孔道等減少預(yù)應(yīng)力損失。

(3)試驗(yàn)結(jié)果及多年運(yùn)營(yíng)表明該梁符合設(shè)計(jì)要求，受力正常，裂縫寬度滿足要求，T梁采用的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線和大噸位群錨是合理有效的。