■謝添榮

（大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司廈門分公司，廈門 361006）

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有結(jié)構(gòu)剛度大、整體性能好、變形小、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，且設(shè)計施工較為成熟，施工質(zhì)量可控，尤其是在后期使用上，主梁變形撓曲線平緩、橋面伸縮縫少，后期養(yǎng)護(hù)少[1]，是當(dāng)下城市高架橋、跨河橋等常采用的結(jié)構(gòu)形式。 目前城市高架橋和立交橋的規(guī)模都較大，橋長在幾百米到幾公里不等，跨徑集中在30～50 m，3～5 跨為一聯(lián)[2]，橋梁聯(lián)數(shù)較多，為合理協(xié)調(diào)施工工序，保證施工工期，在項(xiàng)目實(shí)施時均為幾聯(lián)同時施工，因此在橋梁設(shè)計階段需考慮相鄰聯(lián)預(yù)應(yīng)力在梁端張拉錨固時不會相互干擾，需要設(shè)計人員對鋼束在梁端的布置方式進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計。 本文結(jié)合工程實(shí)際，選取了腹板鋼束在梁端的2 種常見錨固方式進(jìn)行分析探討。

1 2 種鋼束梁端錨固方式優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁腹板鋼束在梁端的布置方式主要有以下2 種：第一種方案是梁端橫梁腹板位置開槽設(shè)置后澆帶，腹板鋼束在梁端開槽位置錨固（以下簡稱梁端錨固），第二種方案是鋼束在靠近橫梁位置上彎至頂板開槽錨固（以下簡稱頂板錨固），2 種布置方式如圖1 所示。在橋梁設(shè)計方面，僅追求滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求是不夠的，更要重視從結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)初始質(zhì)量去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。 梁端錨固和頂板錨固方式在實(shí)際工程中各有優(yōu)缺點(diǎn)，采用哪種錨固方式來有效提高施工質(zhì)量，保證橋梁后期的耐久性還需要設(shè)計人員綜合全面考慮[3]。

圖1 2 種腹板束梁端布置形式

1.1 方案一：梁端錨固方案

優(yōu)點(diǎn)：（1）鋼束線形變化角度較小，梁端受力較為均勻；（2）腹板束上彎延伸至橫梁錨固，距離支座較近，鋼束豎彎有利于提高梁端抗剪承載力。

缺點(diǎn)：（1）需開槽設(shè)置后澆帶，在施工過程中需切斷較多的橫梁鋼筋， 且與橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束的位置有沖突，對橫梁受力有一定影響；（2）后澆帶位置存在施工縫，對橫梁的耐久性有一定影響；（3）不適用于相鄰兩聯(lián)腹板位置不一致的情況。

1.2 方案二：鋼束頂板錨固方案

優(yōu)點(diǎn)：（1）腹板束提前上彎至頂板錨固，對橫梁鋼束及鋼筋均無影響，橫梁整體性好，施工速度快；（2）不受相鄰聯(lián)腹板位置影響，適用范圍廣。

缺點(diǎn)：（1）腹板束未伸入橫梁范圍，對主梁支座位置抗剪承載力幫助較小；（2）箱梁頂板開槽對橋面板橫向鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束的布置影響較大；（3）槽口位置回填混凝土體積小， 回填質(zhì)量不容易控制，該位置橋面水易滲入錨固區(qū)，影響錨具耐久性。

2 2 種布束形式下主梁梁端受力對比分析

2.1 工程背景

選取某高架橋（4×30）m 聯(lián)進(jìn)行分析，采用等高度預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁， 箱梁混凝土標(biāo)號為C50，箱梁截面采用單箱多室截面，邊腹板傾斜度為2∶1，兩側(cè)懸臂長為3.5 m。 箱梁頂寬26 m，頂、底板厚為25～45 cm，中、邊腹板厚為40～80 cm。 箱梁在各支點(diǎn)處設(shè)置橫梁，邊支點(diǎn)處橫梁厚150 cm，中支點(diǎn)處橫梁厚220～250 cm，箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2 所示?？v向預(yù)應(yīng)力設(shè)置了腹板束、頂板束及底板束，單道腹板布置3 束15Φs15.2 預(yù)應(yīng)力鋼束， 頂?shù)装宀贾?2Φs15.2 鋼束。 預(yù)應(yīng)力鋼束采用高強(qiáng)度低松弛Φs15.2 鋼絞線，塑料波紋管制孔，錨具采用夾片式群錨錨具。箱梁采用整聯(lián)現(xiàn)澆，一次落架成型施工方案。

圖2 箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)計算

2.2.1 計算參數(shù)

分別建立2 種梁端布束方案的箱梁有限元模型，主梁結(jié)構(gòu)縱向簡化成平面桿系的計算圖式進(jìn)行靜力分析，采用Midas Civil 分析軟件進(jìn)行計算。 本次計算內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力作用、運(yùn)營活載、溫度差及支點(diǎn)不均勻沉降等作用效應(yīng)。（1）預(yù)應(yīng)力參數(shù)。彈性模量：1.95×105MPa；標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度：1860 MPa；鋼筋松弛系數(shù)：0.3；孔道摩阻系數(shù)：0.17；孔道偏差系數(shù)：0.0015；單端錨具變形及鋼束回縮值：6 mm。（2）恒載：一期荷載和二期恒載。一期恒載：包括箱梁、橫梁等材料重量，混凝土容重取26 kN/m3，箱梁按實(shí)際斷面計取重量，箱梁橫隔板以集中力計入；二期恒載：包括防撞護(hù)欄、橋面鋪裝，橋上管線等。 （3）活載：汽車荷載公路Ⅰ級；人群：3.5 kN/m2。（4）溫度荷載。計算取體系升溫25℃，體系降溫25℃；溫度梯度按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）取值。 （5）基礎(chǔ)不均勻沉降：取0.5 cm。

2.2.2 鋼束布置

2 種方案主梁鋼束布置如圖3 所示，2 種方案鋼束除腹板束在梁端錨固方式不一樣，其余鋼束布置均一致，腹板采用15Φs15.2 預(yù)應(yīng)力鋼束，頂?shù)装宀捎?2Φs15.2 鋼束：

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖

3 有限元模型概況

3.1 模型簡介

采用Midas Civil 分析軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型（圖4），全橋合計節(jié)點(diǎn)133 個，梁單元122 個，邊界條件采用彈性連接及一般支承模擬支座。

圖4 有限元模型

3.2 材料特性

模型的材料性能如下。（1）混凝土材料性能?；炷敛牧蠌?qiáng)度等級為C50，彈性模量為34500 MPa，剪切模量為13800 MPa， 泊松比為0.20， 容重為25 kN/m3， 線膨脹系數(shù)為0， fck為32.40 MPa， ftk為2.650 MPa，fcd為22.40 MPa，ftd為1.830 MPa。 （2）預(yù)應(yīng)力鋼筋材料性能。預(yù)應(yīng)力鋼筋材料15.2 的彈性模量為195000 MPa，容重為78.5 kN/m3，線膨脹系數(shù)為0，fpk為1860 MPa，fpd為1260 MPa，f ′pd為390 MPa。（3）普通鋼筋HRB400 的彈性模量為200000 MPa，容重為76.980 kN/m3， fsk為400 MPa， fsd為330 MPa，f′sd為330 MPa。

3.3 荷載組合

根據(jù)JTG D60-2015《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》的規(guī)定，運(yùn)營階段針對邊混主梁主要考慮如下幾種荷載組合。 組合Ⅰ：1.2 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+1.4 汽車荷載； 組合Ⅱ：1.2 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+1.4 汽車荷載 （含汽車沖擊力）+0.49 汽車制動力+0.7 均勻升溫+0.7 梯度升溫； 組合Ⅲ：1.2 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+1.4 汽車荷載 （含汽車沖擊力）+0.49 汽車制動力+0.7 均勻降溫+0.7 梯度降溫；組合Ⅳ：1.0 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+0.7 汽車荷載（不含汽車沖擊力）+1.0 汽車制動力+1.0 均勻升溫+0.8 梯度升溫+0.75 風(fēng)荷載；組合Ⅴ：1.0 恒荷載+1.0 收縮+1.0 徐變+0.7 汽車荷載（不含汽車沖擊力）+0.7 汽車制動力+1.0 均勻降溫+0.8 梯度降溫。其中，組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下的受力情況，組合Ⅳ、Ⅴ是驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)頻遇效應(yīng)組合下的受力情況。

3.4 內(nèi)力計算結(jié)果

根據(jù)上述條件計算得到主梁承載能力狀態(tài)下的內(nèi)力如表4 所示，內(nèi)力包絡(luò)圖如圖5～6 所示。

圖5 承載能力極限狀態(tài)彎矩包絡(luò)圖

表4 承載能力極限狀態(tài)主梁內(nèi)力極值匯總

圖6 承載能力極限狀態(tài)剪力包絡(luò)圖

3.5 主梁梁端內(nèi)力計算結(jié)果對比分析

為得到2 種布束形式下主梁梁端受力對比，分別提取距離梁端15 m 范圍內(nèi)單元的抗彎承載力、抗剪承載力、頂?shù)装逭龖?yīng)力、箱梁剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力，各內(nèi)力對比如圖7～9 所示。

圖7 主梁抗彎及抗剪承載力對比

從圖7（a）可以看出，鋼束梁端錨固方案主梁抗彎承載力比錨固在頂板提高約50%。 從圖7（b）可以看出，在靠近支點(diǎn)位置，梁端錨固方案的抗剪承載力要高于頂板錨固方案，再往跨中位置頂板錨固方案抗剪承載力會高于梁端錨固方案。 從上述分析可以得出，頂板錨固方案隨著腹板鋼束上彎錨固至頂板會降低主梁在梁端位置的抗彎承載力及支座位置的抗剪承載力，但能提高鋼束上彎位置的抗剪承載力。

從圖8 可以看出，鋼束梁端錨固方案頂?shù)装鍛?yīng)力分布均勻，壓應(yīng)力儲配較大。 鋼束頂板錨固方案應(yīng)力突變較大，頂板應(yīng)力呈鋸齒狀分布，底板正應(yīng)力在鋼束上彎位置急劇減小，相較于梁端錨固方案，壓應(yīng)力減小約60%；因此對于主梁支點(diǎn)附近的正截面抗裂效應(yīng)鋼束錨固在梁端方案要明顯優(yōu)于錨固在頂板方案。

圖8 主梁正應(yīng)力對比圖

從圖9（a）可以看出，在支點(diǎn)位置鋼束錨固在梁端主梁剪應(yīng)力比錨固在頂板提高約50%， 但在距梁端6～10 m 位置， 頂板錨固方案剪應(yīng)力遠(yuǎn)大于梁端錨固方案。圖9（b）可以看出，在靠近支點(diǎn)位置，梁端錨固方案的主拉應(yīng)力分布比較均勻， 頂板錨固方案主拉應(yīng)力數(shù)值明顯增大，且變化幅度較大。 因此對于主梁支點(diǎn)附近的斜截面抗裂效應(yīng)鋼束錨固在梁端要明顯優(yōu)于錨固在頂板。

圖9 主梁剪應(yīng)力與主拉應(yīng)力對比圖

4 針對2 種錨固方案受力特點(diǎn)的設(shè)計措施

在對2 個方案的優(yōu)缺點(diǎn)、內(nèi)力及應(yīng)力對比分析的基礎(chǔ)上， 提出相應(yīng)的設(shè)計措施以改善結(jié)構(gòu)受力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

4.1 針對方案一的設(shè)計措施

方案一梁端錨固方案的重難點(diǎn)在于如何保證后澆帶位置耐久性，針對該問題，在后澆帶位置增設(shè)頂?shù)装宥淌▓D10），待后澆帶混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后單端張拉該部位鋼束。 針對本項(xiàng)目，頂?shù)装逶黾? 束梁端短束，計算結(jié)果如圖11 所示，增加短束后靠近后澆帶位置頂板拉應(yīng)力減小了約1.2 MPa，底板壓應(yīng)力提高了0.9 MPa， 有效提高了后澆帶壓應(yīng)力儲備和耐久性。

圖10 后澆帶增設(shè)頂?shù)装宥淌鴪D

圖11 方案一增加梁端短束前后主梁正應(yīng)力對比

4.2 針對方案二的設(shè)計措施

方案二頂板錨固方案在腹板束上彎位置，底板應(yīng)力削弱較多，設(shè)計時需增加該位置底板鋼束（圖12），并增強(qiáng)該位置腹板鋼筋，避免因腹板鋼束集中上彎導(dǎo)致腹板出現(xiàn)裂縫； 腹板鋼束張拉完成后，在頂板槽口位置填充微膨脹混凝土，增強(qiáng)錨具耐久性。 針對本項(xiàng)目，底板增加6 束梁端底板短束，計算結(jié)果如圖13 所示，增加短束后腹板鋼束上彎位置底板壓應(yīng)力提高了1.1 MPa，有效提高了底板壓應(yīng)力儲備和耐久性。

圖12 腹板上彎位置增設(shè)底板短束圖

圖13 方案二增加梁端短束前后主梁正應(yīng)力對比

5 結(jié)論

通過對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁鋼束梁端錨固和頂板錨固2 個方案構(gòu)造優(yōu)缺點(diǎn)、內(nèi)力及應(yīng)力進(jìn)行總結(jié)對比，同時針對2 個方案存在的問題提出了相應(yīng)的設(shè)計改進(jìn)措施，為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁鋼束在梁端的布置設(shè)計提供一定的理論參考，但采用哪種錨固方式來有效提高施工質(zhì)量，保證橋梁后期的耐久性還需要設(shè)計人員結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際綜合全面考慮。