李超
(廣州京穗勘察設(shè)計有限公司,廣東 廣州 510000)
隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和逐步完善,大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)梁應(yīng)用越來越廣泛,連續(xù)梁橋由于結(jié)構(gòu)在恒載和車載等作用下,中間支點提供了一定的反向負彎矩,使得跨中正彎矩大大減少,且通常情況下負彎矩效應(yīng)較正彎矩明顯不利。作為超靜定體系的連續(xù)梁,如溫度變化、地基沉降以及預(yù)加力等均會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力。混凝土結(jié)構(gòu)采用鋼絞線提供預(yù)加力效應(yīng)可以有效避免開裂,能夠充分發(fā)揮材料的自身優(yōu)勢。從其特點來看,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁相比簡支梁橋具有更強的跨越能力,且減少了伸縮縫的使用、超載能力大,剛度大、變形小等優(yōu)點,在近代橋梁建筑方面,工程實際應(yīng)用涉獵頗廣。
根據(jù)連續(xù)梁的受力特點,對于大跨度變高連續(xù)梁,邊中跨比值一般取0.5~0.8之間,以盡量使其邊中跨最大正彎矩相等,從而達到經(jīng)濟的目的。針對變高梁,梁底多采用圓曲線或二次拋物線,折線性則較為少見,同時為滿足受力要求,箱室各板件尺寸多采用變厚度。根據(jù)施工特點,常見的有掛籃懸灌施工、整體澆筑施工以及移動模架逐孔施工等,實際施工時需結(jié)合現(xiàn)場情況進行合理選取合理。本文著重研究掛籃懸灌施工,由于掛籃懸灌施工需進行掛籃設(shè)計,對掛籃質(zhì)量要求較高。施工時為保證兩側(cè)平衡,需要同步同量澆筑,確保兩側(cè)受力均勻。現(xiàn)實中,影響施工質(zhì)量的因素各式各樣,而以其施工工藝最為直接,為保證施工質(zhì)量,提高現(xiàn)階段工藝水平是該類橋梁更高更遠發(fā)展的重中之重[1]。
本文結(jié)合工程案例,以(72+128+72)m節(jié)段懸澆施工大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為研究基礎(chǔ),利用邁達斯和BSAS綜合分析懸澆連續(xù)梁的受力特性,并相互校核本結(jié)構(gòu)驗算的正確性,同時證明本橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和合理性。最終希望本文能為類似橋梁提供一定的借鑒價值。
紹興某一鐵路連續(xù)梁橋,構(gòu)造跨度為(72+128+72)m無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土單線懸澆連續(xù)梁。單線防護墻內(nèi)側(cè)凈寬4.4m,橋面板寬8.5m。
橋梁全長為273.8m(含兩側(cè)各15cm梁縫),邊中跨比值為0.563。結(jié)構(gòu)外部尺寸為中支點梁高9.6m,邊支點及跨中標(biāo)準(zhǔn)段梁高4.6m,支座距梁端0.75m,梁高按R=401.031m圓曲線變化。全橋共分71個梁段,A0梁段長14m;一般梁段劃分3m、3.5m、4.0m不等,邊中跨合龍段長均為2m,邊跨現(xiàn)澆段長7.75m。
箱梁采用單箱單室變高度截面。結(jié)構(gòu)頂寬8.5m,底寬6.8m。結(jié)構(gòu)內(nèi)部尺寸為頂板厚0.5m;底板厚0.5~1m,其中,支點位置加厚至1.766m,邊支點加厚至0.8m;腹板厚則按0.5~0.7-0.9-1.4m折線變化。箱梁端橫梁后2m,中橫梁后2.8m。
標(biāo)準(zhǔn)橋面布置如圖1所示。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)橋面布置(單位:cm)
設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為行車速度80km/h;線路情況為單線;軌道類型為無砟軌道;荷載類型為ZK活載;地震等級為Ⅶ度,地震動峰值加速度α=0.05g。
(1)混凝土:橋梁采用鐵路用C50混凝土,防護墻采用C40混凝土,材料物理指標(biāo)按鐵路相關(guān)規(guī)范執(zhí)行[2]。
(2)鋼絞線:預(yù)加力采用標(biāo)準(zhǔn)強度fpk=1860MPa的高強度低松弛φs15.24鋼絞線;且縱梁滿布豎向預(yù)應(yīng)力,其材質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度fpk=830MPa的φ25預(yù)應(yīng)力混凝土用精軋螺紋鋼筋。
(3)鋼筋:HPB300、HRB400鋼筋應(yīng)采用滿足(GB 1449.1—2017)及(GB/T 1499.2—2018)規(guī)定的鋼筋[3]。
(4)波紋管:縱向鋼束采用金屬波紋管成孔,豎向預(yù)應(yīng)力則采用鐵皮管成孔;波紋管符合(JG 225—2007)中的規(guī)定。計算時取縱向預(yù)加力μ=0.23,k=0.0025/m,豎向預(yù)加力μ=0.35,k=0.003/m。
(1)恒載:混凝土容重γ取26kN/m3;二期:80kN/m,不均勻沉降按2cm考慮。
(2)車載:按標(biāo)準(zhǔn)ZK活載考慮[4]。
荷載組合僅考慮恒載和車載的組合作用(車載中含動力作用)。
邁達斯采用三維建模,BSAS則采用二維建模;均采用梁單元,預(yù)加力采用線單元模擬,兩者通過鋼束預(yù)應(yīng)力進行耦合,其邊界則按常規(guī)連續(xù)梁體系模擬。圖2、圖3為單元劃分。
圖2 邁達斯三維梁單元建模
圖3 BSAS二維梁單元建模
箱梁采用掛籃懸臂澆筑施工,其中中支點0號梁段在墩頂支架澆筑,其余各梁段采用掛籃懸臂澆筑,施工時須同步對稱澆筑至最大懸臂段,確保梁體縱向受力平衡,之后施工邊跨合龍段,最后施工中跨合龍段,直至成橋狀態(tài)。計算時考慮掛籃及附屬設(shè)備重不大于最大懸灌節(jié)段重量的50%,本文計算時按900kN加載考慮。
(1)正應(yīng)力結(jié)果對比。根據(jù)兩款軟件計算結(jié)果,繪制如下全橋模型正應(yīng)力對比圖(符號方向按邁達斯結(jié)果給出,壓為負、拉為正),從結(jié)果來看,結(jié)構(gòu)下緣正應(yīng)力整體趨勢已相當(dāng)吻合,結(jié)構(gòu)上緣正應(yīng)力在中支點位置附近略有差異,但整體趨勢相差不大。根據(jù)規(guī)范要求,運營階段結(jié)構(gòu)不容許出現(xiàn)拉應(yīng)力,由圖4、圖5可知,本結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范要求[5]。
圖4 上緣正應(yīng)力對比
圖5 下緣正應(yīng)力對比
(2)抗裂結(jié)果對比。根據(jù)抗裂計算結(jié)果,結(jié)構(gòu)最小抗裂安全系數(shù)整體擬合較一致,于跨中位置附近有所差異。根據(jù)規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)最小抗裂安全系數(shù)不得小于1.1,本結(jié)構(gòu)設(shè)計最小抗裂安全系數(shù)為1.34,滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。最小抗裂安全系數(shù)對比如圖6所示。
圖6 最小抗裂安全系數(shù)對比
(3)強度結(jié)果對比。根據(jù)強度計算結(jié)果,結(jié)構(gòu)最小強度安全系數(shù)整體擬合較一致,于跨中位置附近有所差異。根據(jù)規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)最小強度安全系數(shù)不得小于1.98(1.1×1.8),本結(jié)構(gòu)設(shè)計最小強度安全系數(shù)為2.35,滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。最小強度安全系數(shù)對比如圖7所示。
圖7 最小強度安全系數(shù)對比
(4)豎向變形對比。根據(jù)豎向變形計算結(jié)果,結(jié)構(gòu)在車載作用下豎向變形擬合相當(dāng)一致。根據(jù)規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)最小豎向變形不得大于計算跨徑的1/1900,即13200/1900=67.3mm,本結(jié)構(gòu)設(shè)計主跨最大豎向變形為26.4mm,滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。車載作用下豎向變形對比如圖8所示。
圖8 車載作用下豎向變形對比
(5)殘余變形對比。根據(jù)殘余變形計算結(jié)果,兩款軟件在計算收縮徐變上有所差異,整體趨勢基本一致,且殘余變形幅度較小,整體結(jié)果相差不大。根據(jù)規(guī)范要求,無砟軌道最大豎向殘余變形不得大于20mm,本結(jié)構(gòu)設(shè)計主跨最大豎向殘余變形為2.54mm,滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。恒載作用下豎向殘余變形對比如圖9所示。
圖9 恒載作用下豎向殘余變形對比
(1)根據(jù)以上描述的計算結(jié)果,全橋在恒載+車載作用下均處于受壓狀態(tài),達到了設(shè)計基本預(yù)期的要求。
(2)根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、強度、抗裂和豎向剛度的對比結(jié)果來看,兩款軟件擬合較好,相互驗證了兩款軟件計算的正確性;同時證明了本橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和合理性。
(3)從上述結(jié)構(gòu)十年殘余變形的結(jié)果來看,兩款軟件計算上還存在一定的差異,但整體相差不大,符合規(guī)范要求。
選取一個合適的軟件能夠大大降低橋梁設(shè)計難度,提高工作效率。本文結(jié)合工程案例,提供了邁達斯和BSAS兩款軟件在設(shè)計節(jié)段懸澆施工大跨連續(xù)梁中的各性能指標(biāo)結(jié)果對比。從結(jié)果來看,兩款軟件均具有一定的優(yōu)勢,且兩者擬合較好,互相驗證了彼此的正確性,同時證明了本橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和合理性。此外,兩款軟件于殘余變形計算上仍有所差異,但整體相差不大,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上,均值得采用。對于相對復(fù)雜的橋梁,為確保結(jié)構(gòu)安全,仍建議通過軟件之間的相互校核來達到想要的目的。最終希望本文能為類似橋梁提供一定的借鑒價值。