大跨雙主肋式斜拉橋面板受載抗裂性能仿真分析

龍 磊，肖 磊，龔睿民

(1.湖南路橋建設(shè)集團有限責任公司，湖南長沙 410001;2.九江市公路管理局直屬分局，江西九江 332000;3.長沙拓正交通科技有限公司，湖南長沙 410001)

0 引言

雙主肋式主梁的特點是明顯減輕主梁的自重，使整個橋梁構(gòu)造都更為輕盈和柔軟，其截面形式也明顯簡單于封閉箱形截面，并且斜拉索可以直接錨固在邊肋內(nèi)，不需要設(shè)置專門的錨固裝置，這讓混凝土斜拉橋的設(shè)計和施工都得到了方便。跟其它梁式橋不同，這種體系下斜拉橋的主梁以承受沿橋縱向的壓軸力為主，整個斜拉橋的受力特點則像是一個由主梁、索塔和斜拉索組成的一個龐大的三角形桁架，主梁在整個結(jié)構(gòu)中起到一個受壓桿的作用，與主要承受縱向彎矩的梁式橋不一樣，橋梁跨徑的增加對主梁高度的影響相對較小。雙主肋式主梁是由邊肋、橋面板和橫隔梁構(gòu)成，雙主肋式主梁的邊肋和橫隔梁往往具有較大的剛度，橋面板則往往較薄，剛度較小，橋面板可以看出是一塊四邊支承的薄板。橋面板處于主梁上部直接承受著車輛荷載的作用，是主梁上對車輛荷載最為敏感的一個部位［1］。雙主肋式主梁橋面板的主要受力特點是承受局部車輛荷載作用下產(chǎn)生的彎矩，大量科研學者對此展開了較多的研究，主要集中于受力分析及施工技術(shù)等方面［2－5］，而車輛荷載對雙主肋式主梁橋面板的作用及其抗裂性能的研究還比較少［6，7］。

1 工程背景

某待建特大斜拉橋主梁采用雙主肋式，混凝土強度標號為C60，主梁截面寬24.1 m，高2.7 m。主梁邊肋分為有帶底板翼緣截面和實體截面兩種，底板翼緣的寬度為2.95 m，實體截面的寬度分別為2.95，3.25，4.15，4.85 m。主塔與主梁連接處在主梁施工過程中臨時固結(jié)，全橋合攏后解除。斜拉橋斜拉索布置為雙索面、扇形密索體系，每個主塔布有27 對空間索，主跨斜拉索在梁上的索距為7.8 m，邊跨隨著節(jié)段長度的變化，索距相應(yīng)變化為6.5、5.5 m。斜拉索采用PES7－283、PES7－241、PES7－233、PES7－199、PES7－163、PES7－139 等6 種規(guī)格。錨具采用相應(yīng)規(guī)格的PESM 冷鑄錨。索塔外形為“鉆石型”，混凝土強度標號為C50。下橫梁以下塔高46 m，下橫梁以上塔高111.6 m。上塔柱橫向?qū)?.5 m，順橋向?qū)?.2 m，中塔柱橫橋向?qū)?.5 m，順橋向?qū)?.2 ～8.8 m，下塔柱橫橋向?qū)?.5 ～7.6 m，順橋向?qū)?.8 ～10.8 m。橋面板厚度0.32 m，沿橋橫向為17.2 m，沿橋縱向每個梁段是7.8 m。

2 斜拉橋面板抗裂性能數(shù)值分析

在許多混凝土橋梁的檢測與加固中，混凝土裂縫是當中危害最廣的病害?；炷亮芽p的產(chǎn)生會使外界的水分與混凝土內(nèi)的鋼筋接觸，使鋼筋腐蝕，從而導致鋼筋的強度喪失和結(jié)構(gòu)承載能力的下降。除此之外，混凝土裂縫還會影響結(jié)構(gòu)的美觀。

很多橋梁檢測都發(fā)現(xiàn)混凝土斜拉橋，尤其是雙主肋式主梁的橋面板出現(xiàn)了較為明顯的沿車輛方向的縱向裂縫，而且裂縫寬度和長度往往超出了《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。這種縱向裂縫在剛修建不久的橋梁中也會常常出現(xiàn)。各種數(shù)據(jù)表明縱向開裂(裂縫寬度一般在0.2 ～2 mm 內(nèi))是雙主肋式主梁最為常見的問題之一。由于斜拉橋主要受縱向彎矩，且雙主肋主梁的橋面板往往被當作單向板來看待，過去人們在設(shè)計時所關(guān)注的重點是橋面板下緣出現(xiàn)的沿橋?qū)挿较虻臋M向裂縫，對沿車輛方向的縱向裂縫受力性能及抗裂設(shè)計研究不多。

汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載主要用于橋梁結(jié)構(gòu)的整體計算，車輛荷載主要用于橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載。本文建立主梁空間模型，選用車輛荷載。車輛荷載為一輛總重550 kN 的五軸車，其縱向和橫向布置如圖1、圖2 所示。

圖1 車輛荷載縱向布置

圖2 車輛荷載橫向布置(單位:m)

在主梁空間模型中，將車輪換算成面荷載施加在橋面板上。橋面板上有0.1 m 的鋪裝層厚度，所以輪子的長和寬都要各加0.1 m。該斜拉橋在橋橫向設(shè)計了預(yù)應(yīng)力筋，以集中力的形式模擬，整個有限元圖形如圖3 所示。

圖3 考慮橫向預(yù)應(yīng)力筋的車輛布載圖

通過ANSYS 的后處理可得到結(jié)構(gòu)的最大橫向拉應(yīng)力為1.252 MPa?？偟臋M向拉應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 1 倍車輛荷載下的橫向拉應(yīng)力分布圖

該斜拉橋主梁的混凝土采用的是C60 混凝土，設(shè)計抗拉強度為2.04 MPa，通過有限元分析可知主梁的抗拉強度在設(shè)計上滿足要求。當把圖3 的車輛荷載重量變成1.5 倍的時候，通過Ansys 后處理可得到結(jié)構(gòu)的最大橫向拉應(yīng)力為1.878 6 MPa，小于C60 的抗拉強度。此時，從設(shè)計來說，不會產(chǎn)生混凝土縱向裂縫。總的橫向拉應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 1.5 倍車輛荷載下橫向拉應(yīng)力分布圖

當把圖3 的車輛荷載重量變成2 倍的時候，通過Ansys 的后處理可得到結(jié)構(gòu)的最大橫向拉應(yīng)力為2.505 3 MPa，大于C60 的抗拉強度，此時，結(jié)構(gòu)將會被破壞?？偟臋M向拉應(yīng)力分布如圖6 所示。

圖6 2 倍車輛荷載下橫向拉應(yīng)力分布圖

通過上面的3 次加載可以發(fā)現(xiàn)，當1 倍車輛荷載時，最大橫向拉應(yīng)力為1.252 MPa;當1.5 倍車輛荷載時，最大橫向拉應(yīng)力為1.878 6 MPa;當2 倍車輛荷載時，最大橫向拉應(yīng)力為2.505 3 MPa。近似的滿足公式為y=1.252x。其中y 為最大橫向拉應(yīng)力(單位為MPa)，x 為車輛荷載的倍數(shù)。將C60 的抗拉設(shè)計強度2.04 MPa 帶入上面公式，可得x=1.63。將圖3 的車輛荷載重量變成1.63 倍的時候，通過Ansys 的后處理可得到結(jié)構(gòu)的最大橫向拉應(yīng)力為2.041 6 MPa，剛剛大于C60 混凝土的設(shè)計抗拉強度?？偟臋M向拉應(yīng)力分布如圖7 所示。通過以上分析可以得到，從設(shè)計角度來看斜拉橋的車輛荷載不超過1.63 倍車輛荷載的標準值為宜。

圖7 1.63 倍車輛荷載下橫向拉應(yīng)力分布圖

3 抗裂措施方案比選分析

從以上數(shù)值計算分析可知橋面底板縱向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，橫向出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力且應(yīng)力分布位置及形式與最小主應(yīng)力分布相同。在該橋設(shè)計中預(yù)應(yīng)力鋼絞線孔道中心間距0.16 m，底板的預(yù)應(yīng)力束對底板下緣受力影響較大。而頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用內(nèi)徑60 mm×19 mm 的扁形波紋管，間距0.7～1.0 m。在進行抗裂設(shè)計時擬定以下3 種方案:①頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋不變而底板縱向預(yù)應(yīng)力筋由原19φ15.24 鋼絞線降低其直徑為15φ15.24 配束;②頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋不變而底板縱向筋改為12φ 15.24;③底板縱向筋不變而頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋由3φ15.24 改為2φ15.24。該橋底板翼緣的寬度為2.95 m，在合攏段布設(shè)應(yīng)力計算特征值點如圖8 所示。

圖8 應(yīng)力值點位置布設(shè)示意圖

通過圖9 與圖10 可知，底板縱向筋的第1 主應(yīng)力與橫向應(yīng)力要比頂板橫向應(yīng)力筋的影響程度要大，隨著預(yù)應(yīng)力筋束減小其應(yīng)力值均有所減小。因此根據(jù)減小配束方案而降低第1 主應(yīng)力及橫向應(yīng)力。通過3 方案與原方案的綜合比較可知方案2(配束12φ15.24)的第1 主應(yīng)力最大值為2.813 MPa，小于C60 混凝土抗拉標準強度值2.85 MPa，滿足施工結(jié)構(gòu)可靠度要求。

圖9 各位置與第1 主應(yīng)力關(guān)系圖

圖10 各位置與橫向應(yīng)力關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過在建斜拉橋橋面板的在縱向支點截面最不利車輛荷載布載下橋面板的縱向裂縫進行了分析，得到了以下結(jié)論:橋面板在縱向支點最不利車輛荷載布載下的最大橫向拉應(yīng)力為1.252 MPa，斜拉橋主梁的混凝土為C60，設(shè)計抗拉強度為2.04 MPa，因此橋面板從設(shè)計角度出發(fā)不會產(chǎn)生縱向裂縫。當車輛荷載超過1.63 倍車輛荷載的標準值時，橋面板可能會出現(xiàn)縱向裂縫。通過方案計算分析，建議采用底板縱向配束20 根12φ15.24 預(yù)應(yīng)力鋼筋束，頂板橫向配筋采用2φ15.24，初始張拉應(yīng)力為75%標準強度。

［1］劉 偉.雙主肋寬體斜拉橋主梁縱向變形協(xié)調(diào)研究［D］.西安:長安大學，2012.

［2］黃文通.具有大邊肋截面的混凝土斜拉橋主梁的二維溫度效應(yīng)分析［J］.中外公路，2012，32(5):146－149.

［3］熊 佳.橫隔板橫肋式鋼箱梁與砼梁混合斜拉橋施工計算和鋼箱梁計算［D］.成都:西南交通大學，2012.

［4］熊治華，劉永健，宋松林，等.大跨組合斜拉橋梁腹板及加勁肋合理設(shè)計［J］.橋梁建設(shè)，2014，44(5):103－107.

［5］何志芬，梁 才，歐陽平.PC 斜拉橋肋板式主梁截面優(yōu)化分析［J］.公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2014(4).

［6］樊 帥.大跨度組合梁斜拉橋輔助墩區(qū)橋面板受力研究［J］.湖南交通科技，2015，41(1):109－111.

［7］李晗之.預(yù)應(yīng)力混凝土橋簡支箱梁靜載彎曲抗裂試驗研究［J］.湖南交通科技，2010，36(1):74－76.