預(yù)應(yīng)力連續(xù)橋不同跨中結(jié)構(gòu)的受力對(duì)比分析

梅連軍

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，新疆　烏魯木齊　830016)

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預(yù)應(yīng)力連續(xù)橋不同跨中結(jié)構(gòu)的受力對(duì)比分析

梅連軍

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，新疆烏魯木齊830016)

文章以某三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，將其主跨原混凝土結(jié)構(gòu)改為鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)，利用Midas/Civil建立兩種結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)其施工階段和靜力進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論：鋼-混連續(xù)梁橋較于原預(yù)應(yīng)力連續(xù)橋有著明顯的優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于大跨徑連續(xù)梁橋的建設(shè)。

鋼-混組合梁；混凝土結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁；有限元；對(duì)比分析

0　引言

混凝土和鋼筋是橋梁工程建設(shè)中最為重要的結(jié)構(gòu)材料，兩者各自具有不同的優(yōu)勢(shì)與不足，在橋梁建設(shè)中兩者不可或缺，如缺少其中之一則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到材料性能的約束而不完整[1]。為了使鋼、混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)能夠充分得到利用，產(chǎn)生了以組合、混合為代表的兩種新型結(jié)構(gòu)。其中組合結(jié)構(gòu)是由鋼、混凝土等異種材料組合而成，再通過(guò)使用剪力鍵形成一個(gè)整體，并以構(gòu)件截面的形式共同工作的結(jié)構(gòu)體系[2]，鋼-混凝土組合梁就是其主要代表之一；混合結(jié)構(gòu)是通過(guò)采用接頭將鋼、混凝土等多種材料的構(gòu)件組合成整體的結(jié)構(gòu)體系。

混合連續(xù)梁橋?qū)儆诔Ｒ?jiàn)的混合結(jié)構(gòu)，故該結(jié)構(gòu)在實(shí)際橋梁建設(shè)中的運(yùn)用十分廣泛，尤其是正交異性鋼橋面形式的混合結(jié)構(gòu)[3-4]。由文獻(xiàn)[5-6]可知，正交異性鋼橋面上的瀝青混凝土在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中易出現(xiàn)損壞，且自身結(jié)構(gòu)常處于疲勞狀態(tài)下極易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，給橋梁帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)正交異性鋼橋面的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，其病害問(wèn)題也得到有效的改善[7]，但由于該結(jié)構(gòu)復(fù)雜繁多，改善措施難以全面兼顧。因此，本文提出用鋼-混組合梁替代原來(lái)的混凝土梁部分的一種混合連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)，并分別建立有限元模型對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1工程背景

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋(85+150+85)m，梁體為單箱單室斷面箱梁，其中上頂板寬14.5 m，頂面設(shè)有1.5%單向橫坡，下底板寬為7.5 m。箱梁根部高8.5 m，邊跨直線段梁與跨中梁的高度一致，都為3.5 m；箱梁上頂板厚為0.28 m，下底板跨中及根部的厚度分別為0.28 m、1.1 m，腹板的厚度范圍在4 m以?xún)?nèi)，由0.45 m至0.6 m呈線性變化。橋墩頂部范圍內(nèi)頂板、底板、腹板的厚度分別為0.63 m、1.705 m、0.9 m。箱梁施工運(yùn)用掛籃懸臂澆筑，墩頂0#塊與邊跨支架現(xiàn)澆段除外，各個(gè)T構(gòu)縱向劃成18個(gè)對(duì)稱(chēng)梁段，為(4×3+5×3.5+4×4+5×4.5)m，施工采用對(duì)稱(chēng)懸臂澆筑，墩頂0#塊、邊跨現(xiàn)澆段、中跨以及邊跨合攏段分別為12 m、9 m、2 m、2 m。其立面布置圖見(jiàn)圖1，截面尺寸圖見(jiàn)圖2。

1.2對(duì)比設(shè)計(jì)

將原橋中跨跨中50 m部分替換成鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)，構(gòu)成新型組合連續(xù)梁橋，其橋梁布置如圖3所示。

組合連續(xù)梁橋的施工流程大致與原橋類(lèi)似，僅縮短了懸臂的澆筑長(zhǎng)度，增加組合梁混凝土澆筑及鋼梁整體吊裝工序。該組合梁的高度和外觀基本上與原結(jié)構(gòu)一致，屬于變截面鋼-混組合箱梁，鋼箱梁的截面形式為山字形開(kāi)口，其底板、腹板和上緣翼厚度分別為0.2 m、0.2 m、0.25 m，具體尺寸如圖4所示。在鋼箱梁內(nèi)設(shè)若干道厚度為1.8 cm的橫隔板，間距為6 m，方向垂直與橋梁橫向，其余段設(shè)厚度為0.8 cm的加勁肋，間距為2 m，方向與橫隔板相同，以保證剛腹板局部受力均勻。橋面板采用預(yù)制混凝土澆筑，通過(guò)抗剪連接件與鋼箱梁相連，其中抗剪連接件選用圓柱頭栓釘，直徑為2.2 cm。對(duì)組合梁與混凝土梁結(jié)合段進(jìn)行混凝土填充，其構(gòu)造布置如圖5所示。另外，針對(duì)原預(yù)應(yīng)力鋼束做了以下變動(dòng)：(1)將原橋中跨位置的頂?shù)装搴蠑n束取消；(2)將原橋邊跨部分的正、負(fù)彎矩束分別進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰷p；(3)在結(jié)合段位置增加一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力短束；(4)原頂板預(yù)應(yīng)力束縮短，并錨固于結(jié)合段內(nèi)的承壓板上。

圖1　橋梁立面布置圖(單位：cm)

圖2　截面示意圖(單位：cm)

圖3　組合連續(xù)梁橋示意圖(單位：cm)

圖4　組合梁截面示意圖(單位：mm)

圖5　結(jié)合段立面布置圖(單位：cm)

2　有限元模型

2.1模型建造

運(yùn)用有限元軟件Midas/Civil分別建立原橋和組合梁連續(xù)橋模型，具體如圖6所示。其中，原橋模型共96個(gè)單元，111個(gè)節(jié)點(diǎn)。主梁結(jié)構(gòu)的單元類(lèi)型為梁?jiǎn)卧?，利用邊界條件模擬橋梁的橋墩與支座。模擬橋梁共包含24個(gè)施工階段，采用節(jié)點(diǎn)荷載來(lái)模擬混凝土濕重與掛籃荷載，邊跨附近的支架現(xiàn)澆段通過(guò)邊界條件進(jìn)行模擬，整個(gè)橋梁在懸臂施工階段與體系轉(zhuǎn)變時(shí)均依靠結(jié)構(gòu)組的激活以及邊界、荷載兩組的鈍化激活來(lái)模擬。此外，橋梁的荷載工況分別為徐變、收縮、自重、掛籃、二期、預(yù)應(yīng)力、移動(dòng)荷載、支座沉降、溫度作用、混凝土濕重。

組合梁連續(xù)橋的有限元模型共有98個(gè)單元，129個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)從SPC軟件中導(dǎo)入聯(lián)合截面組合來(lái)模擬鋼-混組合梁，施工過(guò)程采用相應(yīng)階段的聯(lián)合截面來(lái)模擬。在橋梁模型中施工階段共分成27個(gè)，相比于原橋增加了組合梁橋面板澆筑、鋼梁吊裝、結(jié)合段吊裝灌注混凝土張拉鋼束3個(gè)階段。荷載工況與原橋型一致。

(a)預(yù)應(yīng)力混凝土梁

(b)鋼-混組合連續(xù)梁

2.2計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行模擬分析，得出其施工階段與靜力計(jì)算都符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在施工階段鋼-混組合連續(xù)梁除橋面板澆筑和鋼箱梁吊裝之外，其余均與預(yù)應(yīng)力混凝土梁模型一致。在施工過(guò)程中鋼-混組合梁內(nèi)部鋼箱梁結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值分別152.83 MPa、82.30 MPa，均未超過(guò)鋼材的最大允許應(yīng)力(210 MPa)。鋼箱梁結(jié)構(gòu)在成橋后的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值分別132.61 MPa、162.69 MPa，也未超過(guò)鋼材允許應(yīng)力?；炷翗蛎姘宓膲簯?yīng)力和拉應(yīng)力最大值分別為6.10 MPa、2.02 MPa，均低于規(guī)范允許值。

3　對(duì)比分析

3.1內(nèi)力對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)運(yùn)營(yíng)、恒載、承載3種極限狀態(tài)下鋼-混組合橋與原橋的軸力、剪力與彎矩進(jìn)行計(jì)算，得出數(shù)值如表1所示。

表1　鋼-混組合梁橋與原橋主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1可知，鋼-混組合梁的剪力和軸力的最大值較于原橋分別減小了5.9%、6.4%，變化幅度較??；墩頂和中跨的最大負(fù)彎矩較于原橋分別減小了6.1%、68.7%，且邊跨最大正彎矩增大17.7%，說(shuō)明鋼-混組合梁的受力性能更為穩(wěn)定。

3.2支座反力對(duì)比分析

豎向支座反力是決定橋梁支座類(lèi)型的主要因素，鋼-混組合梁橋與原橋的反力對(duì)比如表2所示。

表2　鋼-混組合梁橋與原橋支座反力對(duì)比數(shù)據(jù)表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，鋼-混組合梁連續(xù)橋的邊支座反力較于原橋分別增大了39.9%、30%，增幅較為明顯，中支座反力分別減小了6.6%、5.8%，減幅程度較小，整體上支座反力呈減小。

3.3應(yīng)力對(duì)比分析

在溫度梯度作用下，鋼-混組合梁橋和原預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋產(chǎn)生的組合應(yīng)力最大值分別為4.25 MPa、4.92 MPa，減幅為13.6%；受恒載作用兩種類(lèi)型橋梁產(chǎn)生的組合應(yīng)力最大值分別為9.83 MPa、11.33 MPa，減幅為13.2%；活載作用下鋼-混組合梁橋和原預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的組合應(yīng)力分別為3.0 MPa、3.82 MPa，減幅為23.2%；支座沉降作用下兩種橋梁產(chǎn)生的組合應(yīng)力最大值分別為0.56 MPa、0.69 MPa，減幅為18.8%。綜上所述可知，鋼-混組合梁橋所受應(yīng)力比原預(yù)應(yīng)力橋梁小，故其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠。

4　施工方法

(1)主墩施工。支架澆筑0#塊，安裝主墩支座，將主墩與0#塊臨時(shí)固結(jié)，使懸臂澆筑每個(gè)塊段對(duì)稱(chēng)。當(dāng)每個(gè)塊段懸澆完之后開(kāi)始邊墩的施工，將支架現(xiàn)澆邊跨聚攏，邊跨的支架暫不撤除，接下來(lái)施工鋼-混凝土組合梁段，接頭吊裝，焊接固定混凝土箱梁的結(jié)構(gòu)鋼筋和接頭PBL[10]板孔內(nèi)的貫通鋼筋，加注混凝土，等到混凝土凝固，在結(jié)合段的承壓板上錨固張拉預(yù)應(yīng)力束，接頭正上方的混凝土橋面板僅一半澆筑，這樣接頭與混凝土就會(huì)成為一個(gè)整體；(2)吊裝鋼箱梁，將鋼箱梁與接頭使用焊接加螺栓的方法結(jié)合在一起，然后逐段濕接預(yù)制好的混凝土橋面板，結(jié)合為一體后將邊跨的支架與主墩臨時(shí)固結(jié)撤除；(3)澆筑橋面鋪裝和護(hù)欄等。

5　鋼-混組合橋的優(yōu)劣勢(shì)分析

通過(guò)將鋼-混組合橋和原預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)此橋梁存在以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)主梁跨中部位自重減小，既能提升自身的受力性能，也能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力；

(2)組合梁段橋面板是預(yù)制混凝土澆筑而成，較于原正交異性鋼橋面板其成本大大降低，與此同時(shí)還能有效解決疲勞病害等問(wèn)題；

(3)中跨底板與頂板的合攏束無(wú)需進(jìn)行張拉，預(yù)應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力而影響橋梁的正常運(yùn)營(yíng)；

(4)鋼-混組合結(jié)構(gòu)內(nèi)支座反力減幅達(dá)13.9%，可采用低規(guī)格的支座，同時(shí)也便于維修更換；

(5)鋼-混組合結(jié)構(gòu)能夠減少箱梁開(kāi)裂與降低跨中撓度。

由于鋼-混組合梁連續(xù)橋增加了組合梁段，因此施工要求更為嚴(yán)格，同時(shí)針對(duì)施工場(chǎng)地有相應(yīng)的限制，鋼材造價(jià)方面也是需要考慮的問(wèn)題。

6　結(jié)語(yǔ)

綜合以上試驗(yàn)分析可知：鋼-混組合梁連續(xù)橋在有限元全橋施工階段和成橋靜力分析兩個(gè)方面與原橋相比整體上具備很大的優(yōu)越性，在連續(xù)梁橋建設(shè)中可廣泛運(yùn)用，而鋼-混組合梁連續(xù)橋的動(dòng)力分析和組合梁最安全距離還需要更進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Comparative Analysis on the Force of Different Midspan Structures in Prestressed Continuous Bridges

MEI Lian-jun

(Xinjiang Communications Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830016)

With a three-span prestressed continuous beam bridge as the research object，this article changed its main span from the original concrete structure into steel-concrete composite beam structure，then by using Midas/Civil，it established the finite element model for these two structures，conducted the comparative analysis on their construction phase and static force，and then concluded that：the steel-concrete continuous beam bridge has obvious advantages compared to the original continuous prestressed bridge，which can be widely used in the construction of large-span continuous beam bridge.

Steel-concrete composite beam；Concrete structure；Prestressed continuous beam；Finite element；Comparative analysis

U448.21+5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.018

1673-4874(2016)08-0067-04

2016-06-08

梅連軍(1979—)，工程師，研究方向：土木工程。