大挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁橋設(shè)計要點(diǎn)及受力特性研究

羅致,張煥,老國健

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510507;2.廣州市高速公路有限公司,廣東 廣州 510055)

1 引言

隨著我國城市化水平的不斷提升,交通出行、交通擁堵問題影響著人們的生活,亟待建設(shè)更多的城市高架乃至復(fù)合型通道[1]。然而,在城市化水平較高的地區(qū)建設(shè)橋梁往往有著眾多的限制因素,既有道路、地下管線、周邊房屋、軌道鐵路等都會對結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方案造成影響,為橋梁建設(shè)增大工程難度[2]。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋是城市橋梁中常見的結(jié)構(gòu)形式,具有結(jié)構(gòu)剛度大變形小、耐久性好、造價經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[3]。其采用無支架的懸臂澆筑法施工時,對橋下凈空影響小[4],有利于城市高架橋建設(shè),能在施工過程中維持橋下道路的正常通行。而合理采用箱梁橫梁挑臂的結(jié)構(gòu)形式,能避開橋下沿橋軸線方向上的既有構(gòu)造物。若將懸澆施工與橫梁挑臂的連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)相結(jié)合,將進(jìn)一步提高其在眾多限制因素下的適應(yīng)能力。國內(nèi)對懸澆箱梁及支架現(xiàn)澆連續(xù)箱梁挑臂橫梁的受力、設(shè)計要點(diǎn)已有較多研究成果[4-7],但目前挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁橋仍缺少設(shè)計案例及相關(guān)研究。本文介紹某城市高速上設(shè)計的一座大挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁橋,并通過空間有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,重點(diǎn)研究其區(qū)別于常規(guī)懸澆箱梁橋和支架現(xiàn)澆的挑臂橫梁連續(xù)箱梁橋的設(shè)計要點(diǎn)及受力特性,為同類工程提供參考。

2 橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點(diǎn)

2.1 總體布置及截面形式

某新建高速沿城市主干道高架方向建設(shè),與既有高速主線交叉,其建設(shè)過程需同時確保橋下城市主干道及既有高速正常運(yùn)營。且由于交叉節(jié)點(diǎn)距離高鐵橋梁較近,新建高速在上跨既有高速后在較近距離內(nèi)需下穿高鐵橋梁,因此墩高較矮,不宜采用剛構(gòu)方案。在設(shè)計階段,從減少對橋下道路干擾、控制造價的角度出發(fā),在交叉節(jié)點(diǎn)采用挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁橋跨越。橋梁長度163.2 m,跨徑組合為(44.1+75+44.1)m,見圖1。上部結(jié)構(gòu)為變高連續(xù)箱梁,橋?qū)?6.25 m,中支點(diǎn)梁高4.5 m,跨中梁高2.2 m;主墩為2.8 m×2.8 m方墩,其余結(jié)構(gòu)具體尺寸見圖2、圖3。

圖1 連續(xù)箱梁總體布置

圖2 主墩及挑臂橫梁橫斷面

圖3 跨中截面標(biāo)注橫斷面

2.2 預(yù)應(yīng)力體系

圖4 挑臂橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置

圖5 全橋梁格模型消隱圖

2.3 挑臂橫梁尺寸及配筋

挑臂橫梁設(shè)計高度略高于主梁支點(diǎn)處高度,便于橫梁底緣縱向主筋的布置,避免與主梁縱向鋼筋沖突。橫梁寬3.0 m,高4.7 m,支點(diǎn)間距22.2 m,其余尺寸詳見圖2。底緣布置雙排間距10 cm、直徑28 mm的主筋;為增強(qiáng)其抗扭強(qiáng)度,外圈以10 cm間距布置直徑25 mm的抗扭箍筋;橫梁內(nèi)部同樣以10 cm間距布置4圈(共8肢)直徑20 mm的抗剪箍筋。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 計算模型

采用有限元軟件Midas Civil對挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁進(jìn)行計算分析,按實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建模。分別建立空間單梁模型及梁格模型,對比兩者的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于挑臂橫梁內(nèi)力而言兩種模型相差較遠(yuǎn),其中自重作用下單梁模型橫梁最大彎矩為192 634 kN·m,梁格模型橫梁最大彎矩為138 988 kN·m。由于單梁模型不能準(zhǔn)確反映出主梁質(zhì)量分布情況,因此橫梁計算結(jié)果應(yīng)以梁格模型為準(zhǔn),以下計算分析均采用梁格模型結(jié)果。上部結(jié)構(gòu)采用梁格模擬時,縱向以單個腹板劃分單元并考慮翼緣有效寬度;懸臂外邊緣以虛擬縱梁連接;橫向根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸考慮剛度采用虛擬橫梁連接。模型考慮施工階段的影響。

3.2 計算結(jié)果與分析

3.2.1 成橋狀態(tài)

(1)撓度:不同工況下挑臂橫梁及主梁最大撓度見表1,即使考慮撓度長期增長系數(shù)后,仍遠(yuǎn)小于規(guī)范[8]規(guī)定的L/600(中跨125 mm,邊跨73.5 mm)。

表1 不同工況下橫梁及主梁最大撓度 單位:mm

(2)內(nèi)力:各種工況下主梁、橫梁的彎矩及橫梁扭矩見圖6。由其內(nèi)力分布情況可知,該結(jié)構(gòu)同時具有常規(guī)懸澆箱梁及挑臂橫梁現(xiàn)澆箱梁的受力特點(diǎn),又有所不同:①主梁和橫梁的彎矩主要由自重引起,活載作用引起的彎矩較小,主梁中墩負(fù)彎矩值較大,橫梁基本均為正彎矩;②相對于整體現(xiàn)澆的挑臂橫梁結(jié)構(gòu)而言,懸澆施工的主墩挑臂橫梁所受重力影響更大,且橫梁彎矩值與主梁縱向最大彎矩值相當(dāng),在本案例中橫梁荷載組合下的最大彎矩值已超過主梁最大彎矩;③橫梁的扭矩主要由活載引起,自重引起的扭矩較小,且荷載組合下扭矩值較小,說明該結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)下橫梁抗扭往往不控制設(shè)計。

(a)不同工況下主梁彎矩

圖6 不同工況下主梁、橫梁的彎矩及橫梁扭矩注:圖中活載max和活載min、基本max和基本min分別指《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中汽車荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值和最小值、基本組合作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值和最小值。

(3)橫梁應(yīng)力:主梁的應(yīng)力特點(diǎn)與常規(guī)懸澆箱梁相近,在此僅列出挑臂橫梁在不同工況下的應(yīng)力狀態(tài),橫梁應(yīng)力分布如圖7所示,圖中應(yīng)力壓力為正、拉力為負(fù),圖中豎向虛線位置為橫梁與主梁外腹板邊緣連接部位。由計算結(jié)果:①頻遇組合下橫梁最不利正截面拉應(yīng)力出現(xiàn)在支點(diǎn)附近頂緣,為1.0 MPa,其余位置基本受壓,滿足規(guī)范A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的要求;②標(biāo)準(zhǔn)組合下最不利正截面壓應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁跨中頂緣,為10.2 MPa,小于規(guī)范要求的16.2 MPa;③橫梁與主梁連接部位,應(yīng)力變化平順未發(fā)生突變,考慮彎剪扭共同作用下主拉應(yīng)力較小,同樣滿足規(guī)范對主拉應(yīng)力的相關(guān)要求[8]。挑臂橫梁運(yùn)營工況下應(yīng)力狀態(tài)較好。

(a)不同工況下挑臂橫梁頂緣正截面應(yīng)力

圖7 不同工況下橫梁應(yīng)力分布注:圖中頻遇min、標(biāo)準(zhǔn)max分別指《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中頻遇組合作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最小值、標(biāo)準(zhǔn)組合作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值。

3.2.2施工階段

根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)尺寸,將其劃分為如圖8所示的9個懸澆節(jié)段,其中第10節(jié)段為合龍段。

圖8 連續(xù)箱梁懸澆節(jié)段劃分情況

1.預(yù)應(yīng)力張拉順序

常規(guī)的支架現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工時,為避免施工過程中鋼束引起的反拱效應(yīng)造成拉應(yīng)力過大,其主梁、橫梁預(yù)應(yīng)力需分批張拉[5]。同樣挑臂橫梁懸澆箱梁橋也需要考慮橫梁鋼束張拉順序與批次,在此設(shè)置三種張拉方案:①0號塊橫梁澆筑完成后一次張拉所有橫梁鋼束再進(jìn)行縱梁鋼束張拉及懸澆;②0號塊橫梁澆筑完成后先張拉橫梁N2～4鋼束,主梁合龍后二期施工前張拉剩余橫梁鋼束;③0號塊橫梁澆筑完成后先張拉橫梁N2、3鋼束,3號塊懸澆完成后4號塊施工前張拉橫梁N1、4鋼束,主梁合龍后二期施工前張拉剩余橫梁鋼束。不同方案橫梁跨中頂、底緣應(yīng)力如圖9、圖10所示,圖中應(yīng)力壓力為正、拉力為負(fù)。

圖9 不同鋼束張拉方案挑臂橫梁跨中頂緣應(yīng)力

圖10 不同鋼束張拉方案挑臂橫梁跨中底緣應(yīng)力

由以上應(yīng)力結(jié)果可知,三種方案最終應(yīng)力狀態(tài)相同,但張拉批次越多,施工過程中橫梁應(yīng)力水平越均勻:采用方案一鋼束一批次完成張拉時,橫梁跨中頂緣拉應(yīng)力2.2 MPa,已超規(guī)范1.855 MPa限值,且底緣壓應(yīng)力12.8 MPa較高;方案二施工過程中,應(yīng)力雖能滿足規(guī)范要求,但第一批鋼束張拉時跨中頂緣出現(xiàn)0.9 MPa拉應(yīng)力,第二批鋼束張拉前最大懸臂狀態(tài)及邊跨合龍階段壓應(yīng)力儲備較小甚至出現(xiàn)輕微拉應(yīng)力;方案三則整體應(yīng)力水平均勻,施工過程基本不出現(xiàn)拉應(yīng)力。綜上,設(shè)計推薦采用橫梁鋼束分三批次張拉的方案三。

2.懸臂階段不平衡荷載工況

懸澆連續(xù)箱梁在施工過程中,即使結(jié)構(gòu)對稱,不平衡荷載同樣難以避免,設(shè)計時應(yīng)對其影響予以充分考慮[9-10]。在此,懸臂階段不平衡荷載考慮如下:①兩側(cè)梁段自重偏差±4%;②橋上不均勻堆載,一側(cè)懸臂8 kN/m均布荷載另一側(cè)空載;③掛籃及模板重量偏差,一端取1.2倍,另一端取0.8倍,其中掛籃及模板重700 kN;④最后一個懸臂段施工不同步,相差一半梁段重量;⑤風(fēng)荷載。

在懸臂施工階段不平衡荷載工況下,墩柱及樁基偏心受壓驗(yàn)算與常規(guī)懸澆箱梁相近,在此僅列出挑臂橫梁在最大扭矩下的承載能力驗(yàn)算情況。懸臂施工階段標(biāo)準(zhǔn)組合下橫梁扭矩最大值為30 769 kN·m,根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8]進(jìn)行矩形截面抗剪扭承載力計算,其抗扭承載力為32 423 kN·m,基本滿足要求。根據(jù)上述結(jié)果,在最不利工況下抗扭承載力基本無富余,存在較大安全風(fēng)險。由于施工期間的不確定因素較多,為確保結(jié)構(gòu)安全,設(shè)計提出施工過程控制扭矩不大于23 000 kN·m的要求。施工過程中除采取常規(guī)的懸澆箱梁監(jiān)控手段外,額外提出需通過監(jiān)測橫梁扭轉(zhuǎn)角來確定橫梁內(nèi)力,當(dāng)出現(xiàn)較大的不平衡荷載時,及時通過臨時壓重等措施減小橫梁扭矩。

4 結(jié)論

本研究通過對某大挑臂橫梁懸澆連續(xù)箱梁橋進(jìn)行空間有限元結(jié)構(gòu)分析,得出以下結(jié)論:

(1)大挑臂橫梁懸澆箱梁橋結(jié)構(gòu)計算時,單梁模型不能準(zhǔn)確反映橫梁內(nèi)力,計算時上部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用梁格模型進(jìn)行模擬。

(2)該類型結(jié)構(gòu)剛度較大,結(jié)構(gòu)整體撓度較小,行車舒適性良好。

(3)主梁縱橋向的受力特點(diǎn)與常規(guī)懸澆箱梁相同;懸澆施工的挑臂橫梁內(nèi)力相對整體現(xiàn)澆的挑臂橫梁結(jié)構(gòu)而言受自重影響更大,橫梁彎矩主要由自重引起,且橫梁彎矩值較大,在本文案例中橫梁彎矩值與主梁中墩墩頂負(fù)彎矩相當(dāng);而成橋狀態(tài)下橫梁扭矩值較小,基本不控制設(shè)計。

(4)該類型結(jié)構(gòu)合理設(shè)計時,成橋狀態(tài)下橫梁應(yīng)力狀態(tài)較好,橫梁與主梁連接部位應(yīng)力變化平順,考慮彎剪扭共同作用下主拉應(yīng)力較小。

(5)橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉批次對施工階段應(yīng)力狀態(tài)影響較大,對成橋應(yīng)力狀態(tài)影響較小;設(shè)計時應(yīng)根據(jù)懸澆節(jié)段劃分情況結(jié)合計算結(jié)果合理確定張拉批次,張拉批次越多施工過程中橫梁應(yīng)力水平越均勻,應(yīng)盡量避免出現(xiàn)橫梁壓應(yīng)力過大或較大拉應(yīng)力的情況。

(6)懸臂施工狀態(tài)下不平衡荷載引起的橫梁扭矩較大,在本文案例中,最不利施工工況下橫梁抗扭承載力基本無富余,有一定安全風(fēng)險。宜結(jié)合橫梁扭轉(zhuǎn)角監(jiān)測控制施工過程中的橫梁扭矩,根據(jù)檢測結(jié)果采取臨時壓重措施。